Alpha-Beta-Gamma
radioaktive Strahlung
Seite 1 (13.04.2010)
Beispiel für Hochdosis Alpha-Beta-Gamma-Radioaktivität
Messen
von Hochdosisradioaktivität stellt andere Anforderungen an das
Strahlenmessgerät, als Messungen von
Niederdosisradioaktivität. Während ein
Niedrigdosis-Strahlenmessgerät im Bereich normaler
Umweltstrahlung
keinen besonders schnellen Impulszähler benötigt,
werden
für genaue Messungen an starken Strahlenquellen hohe
Anforderungen
an den Impulszähler und den Messverstärker gestellt.
Ein
lahmer Zähler verschluckt gern Impulse. Dem
Beobachter
erscheint die Strahlenquelle dann nicht so sehr gefährlich. Um
mal
zu sehen, wie gefährlich stark so ein
Thoriumglühstrumpf tatsächlich vor
sich hinstrahlt, habe ich verschiedene Versuchsaufbauten
dokumentiert. Zunächst jedoch einige allgemeine Worte betreffend
Radioaktivität. Mit Radioaktivität wird eine Eigenschaft
instabiler Atomkerne bezeichnet, welche sich spontan in andere
Atomlerne umwandeln. Bei diesen Umwandlungsprozessen wird in der Regel
Alpha- Beta- und Gammastrahlung ausgesendet. Eine Schematische
Darstellung der verschiedenen Umwandlugsprozesse und die dabei
entstehende Strahlenarten zeigen die folgenden Bilder :
Alphazerfall |
Beta-plus-Zerfall |
Beta-minus-Zerfall |
Gammazerfall |
Die verschiedenen Strahlenarten haben unterschiedliche biologische
Wirkungen. Bei der Wirkung auf biologischen Organismus spielt
es eine Rolle, ob die Körperoberfläche des Organismus
geschützt ist, ob die Strahlung von aussen wirkt oder sich die
Strahlenquelle innerhalb des biologischen Organismus befindet.
Äquivalentdosis :
Als ein Äquivalent für die biologische Wirksamkeit wurde die Äquivalentdosis
eingeführt. Diese gibt ein Mass für die biologische
Wirksamkeit einer Mischstrahlung an. Die vom Gewebe aufgenommene Energie zu jeder einzelnen der drei genannten
Strahlenarten wird dabei mit einem Bewertungsfaktor
bewertet. Der Bewertungsfaktor
wird auch als eine Multiplikation des sog. Strahlungswichtungsfaktor wR mit einem weiteren Faktor verstanden. Strahlungswichtungsfaktoren gelten für die im Gewebe
absorbierte
Energiedosis und sind in der Regel für
die Energiedosis der aborbierten Alphastrahlung wR=20 für Betastrahlung wR=1 und für
Gammastrahlung wR=1
angesetzt. . Gammastrahlung durchdringt den
Körper zum größten Teil ohne von den
Körperzellen absorbiert zu werden. Treffen
jeweils 100 Teilchen sowohl von Alpha-Beta- als auch Gammastrahlung auf
eine Körperoberfläche auf, so werden 100 Alphateilchen
absorbiert, es werden 100 Betateilchen absorbiert , jedoch lediglich
etwa 5 Gammaquanten von 100 Gammaquanten werden
absorbiert. Strahlungswichtungsfaktor, Absorptionsrate und
ein daraus abgeleiteter Bewertungsfaktor sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.
| Strahlenart |
Strahlenwichtungsfaktor |
Absorptionsrate |
Bewertungsfaktor |
| Alpha |
20 |
100% |
400 |
| Bata |
1 |
100% |
20 |
| Gamma |
1 |
5% |
1 |
Der biologische Schaden ist demnach
wegen der hohen Absorptionsrate 100% und dem hohen Strahlungswichtungsfaktor wR = 20 für Alphastrahlung am größten. Die Wirkung der Betastrahlung ist wegen der
hohen Absorptionsrate 100% und dem Strahlungswichtungsfaktor wR = 1 ebenfalls sehr hoch. Die Gammastrahlung ist wegen der hohen
Durchdringungsfähigkeit in Form der natürlichen Hintergrundstrahlung allgegenwärtig. Die biologisch
sehr wirksamen Alpha- und Betastrahlung sollten in der
natürlichen Hintergrundstrahlung nicht vorkommen. Lediglich
das lebensnotwendige Kalium mit einem geringen Anteil des K-40
Isotops ist an der Erdoberfläche ein weit verbreiteter
Betastrahler. Mir wurde berichtet, das seit
einiger Zeit radioaktive Stoffe (Sog.
NORM-Stoffe,Thorium,Radium,Uran,Polonium) mit sehr
großen Anteilen Alpha-und Betastrahlern aus dem Erdinnern an die
Erdoberfläche gefördert werden. Deshalb nehmen seit einigen Jahren die
Anteile biologisch hochwirksamer Alphastrahler und Betastrahler in der
Erdathmosphäre und in den oberen Schichten der
Erdoberfläche zu.
Messungen an einem Thorium-Glühstrumpf
mit ZP1320 an Messverstärker
mit Hochfrequenzzähler. (misst Alpha- Beta- u. Gamma-Strahlung)
Ein Thorium Glühstrumpf
entpuppt sich
bei genauerem Hinblick als extremal Strahlungsquelle.
Hier einige Bilder dazu :
Bild1:
Beta-Aktivität gemessen mit ZP1320 an ungeschütztem
Thorium Glühstrumpf (400 CPS)
Bild1a: ZP1320 , Aktivität Messung an Thorium Glühstrumpf
Zum Vergleich : bei
0,1µSv/h
natürlichem Gamma Hintergrund wird etwa 0,1 CPS mit
der
ZP1320 gezählt
Also gemessene 414 CPS mit der ZP1320 entsprechen rund gerechnet
400µSv/h Äquivalentdosisleistung bei kürzestem Abstand.
Da es sich offenbar vornehmlich um Alpha- und Beta-Strahlung handelt,
muss noch mit
einem für diese Strahlenarten vorgesehenen
Strahlungswichtungsfaktor
wr (mind.
10) multipliziert werden um zu errechnen welcher Dosisleistung das Organ ausgesetzt ist .
Die Umrechnung in eine medizinisch gewichtete Dosisleistung ergibt also
mindestens 400 * 10 = 4000µSv/h (für eine ungeschützte
Hand,
bzw. den Finger der den Glühstrumpf hält). Da die
aktive
Fläche des Glühstrumpfes deutlich grösser
ist, als die
aktive Fläche der kleinen Röhre,
dürfte die
Abschätzung eher noch optimistisch sein.
Dieser Versuch mit einer sehr simplen Messschaltung an einem
Thoriumglühstrumpf liefert mir ein erschreckendes Ergebnis.
Möglicherweise neigt die kleine Messschaltung mit den zwei
Transistoren zu Schwingungen an Impulsflanken. Auf jeden Fall
habe ich es mir nach diesem Ergebnis angewöhnt, bei allen
Experimenen mit Thorium-Glühstrümpfen äusserste Vorsicht
walten zu lassen.
Bild2: Thorium Gühstrumpf wirft der kleinen
Zählröhre gut 400 CPS (4000 fach über Backgr.)
ins Feld.
Im nächsten Versuch wird eine
3mm dicke Plexiglasplatte
zwischen Glühstrumpf und ZP1320 gelegt. Über der Plexiglasplatte mit der
ZP1320
gemessen, kommt der Zähler nur noch auf 17,8 CPS. Daran ist zu erkennen,
das der weitaus grösste Anteil der ausgesendeten Quanten mit
wenig Aufwand geschirmt werden kann. Was
ich mal als Indiz für ein Übergewicht von Alpha- und
Beta-Strahlung interpretiere.
Bild3:
(Thorium
Glühstrumpf hinter 3mm Plexiglasplatte)
Strahlung gemessen mit ZP1320 + Hochfrequenzzähler : Ergebnis ca. 17,8 CPS
Messungen an einem Thorium-Glühstrumpf
mit Berthold LB1210. ( misst Beta-u. Gamma-Strahlung)
Ein Thorium Glühstrumpf
entpuppt sich
bei genauerem Hinblick als extremal Strahlungsquelle.
Hier weitere Bilder dazu :
Bild4:
Beta-Aktivität gemessen mit LB1210 an ungeschütztem
Thorium Glühstrumpf (700 1/s = 700 CPS)
(Der Glühstrumpf liegt unter dem Messgerät)
Zum Vergleich : bei
0,1µSv/h
natürlichem Gamma Hintergrund wird etwa 4 bis 5 CPS mit
dem Berthold LB1210 gemesen.
Also gemessene 700 CPS ergeben umgerechnet 14µSv/h
Äquivalentdosisleistung bei kürzestem Abstand gemessen mit
dem Berthold LB1210.
Abschätzung des Thoriumgehaltes :
Eine Abschätzuing des Thoriumgehaltes allein aus der Zählrate
welche am Geigerzähler abgelesen wird, ist ohne genaue Kenntnis
weiterer Parameter - u.a. Lagerzeit (Alter) des Glühstrumpfes
sowie Effizienz der Zählröhre - nur mit grosser Unsicherheit
möglich.
Angenommen es wird chemisch gereinigtes natürliches Thorium zu
einem Glühstrumpf
verarbeitet. Dieses chemisch reine natürliche Thorium hat
zunächst ca. 8120Bq/g spezifische Aktivität. Innerhalb
weniger Wochen steigt die Aktivität wegen Bildung von
Radium und Polonium auf etwa 20000 Bq pro Gramm. Wird ein
Glühstrumpf mit diesem Isotopengemisch dann gelagert, so
sinkt zu Beginn der Lagerung die
Gesamtaktivität zunächst wieder aufgrund
Zerfall des Th-228 Isotops. Nach etwa 5
Jahren Lagerung ist aus dem Th-232 Mutternuklid wieder
genügend
Radium-228 entstanden. Mit der Umwandlung von Radium entsteht nun
auch wieder Th-228, so das die Gesamtaktivität des
entstehenden Nuklidgemisch nun wieder ansteigt.
Nach Lagerzeiten über 20
Jahre wird wegen Bildung weiterer Thorium-Zerfallsprodukte eine
Gesamtaktivität von mehr als 26000 Bq pro Gramm Thorium
erreicht.
Das nächste Bild zeigt das grafisch aufbereitete Ergebnis einer Simulation. Hier kann
die erwartete Gesamtaktivität von 1 Gramm Thorium und der sich bildenden Zerfallsprodukte als Funktion der
Zeit über 20 Jahre Lagerzeit abgelesen werden. Auch die Aktivitäten einzelner Zerfallsprodukte, welche sich
während der Lagerzeit bilden, lassen sich näherungsweise ablesen.
Bild5: Aktivitäten beim Thorium-Zerfall , Ergebnis einer Simulation der spontanen Umwandlung von Thorium
Zunächst soll nun die Gesamtaktivität des vermessenen Glühstrumpfes anhand der gemessenen
Zählrate abgeschätzt werden.
Die Effizienz der Zählröhre auf Thorium ist mir leider nicht
genau bekannt. Maximal schätze ich die Effizienz mit 40%
auf Thorium ab. 1Gramm Th-232 wird in der Literatur
mit 4060 Bq Aktivität angegeben.
Ein Glühstrumf wird ein natürliches
Isotopengemisch enthalten . Ich nehme an, es handelt sich um einen
neuen
Glühstrumpf. Th-232 und Th-228 sind dann etwa mit gleicher
Aktivität präsent. Das in dem
Glühstrumpf enthaltene neue Thorium-Isotopengemisch hat dann
vereinfacht eine Erwartete spezifische Aktivität von rund 8120
Bq/g . Ein geringer Anteil Aktivitäten weiterer Nuklide (z.B.
Th-230 und Radium) soll
zusätzlich mit etwa 20% berücksichtigt werden.
So das
ich mit rund 10000 Bq/g Erwartete spezifische Aktivität
für
das in dem neuen Glühstrumpf
enthaltene Isotopengemisch rechne.
Nun schätzt
sich der Thoriumgehalt des
Glühstrumpfes wie folgt:
Zunächst kann die Erwartete spezifische Aktivität des in
dem Produkt enthaltenen Isotopengemischs abgeschätzt werden :
1.) Erwartete spezifische Aktivität = 10000 [Bq/g]
===============================
Als nächstes wird anhand der Impulsrate = 700 CPS am
Geigerzähler und Effizienz = 0,4 die "Gemessene Aktivität"
berechnet:
700 CPS an einer Seite des Glühstrumpfes zählt der Geigerzähler.
700 CPS *2 = 1400 CPS zusammen an Vorderseite und Rückseite des Glühstrumpfes.
weiter rechnet sich:
Gemessene Aktivität = 1400 [CPS] / Effiziez = 1400 [CPS] /0,4 [CPS/Bq] = 3500 [Bq]
2.) Gemessene Aktivität = 3500 [Bq]
=======================
Weiter berechnet sich der Thoriumgehalt als Quotient aus
"Gemessene Aktivität" und "Erwartete spezifische Aktivität" :
Thoriumgehalt = Gemessene Aktivität / Erwartete spezifische Aktivität = 3500[Bq] / 10000 [Bq/g ] = 0,350 Gramm
3.) Thoriumgehalt = 350 Milligramm
=======================
Abschätzung Organdosis (Äquivalentdosisleistung) :
Da die Zählrate 700 CPS gemessen an dem
Thoriumglühstrumpf
offenbar vornehmlich durch um Alpha- und Beta-Strahlung erzeugt werden,
muss noch mit
einem für diese Strahlenarten vorgesehenen
Strahlungswichtungsfaktor
wr (mind.
10) multipliziert werden um eine Organdosisleistung zu errechnen.
Die Umrechnung in eine medizinisch gewichtete Organdosis ergibt also
mindestens 14 * 10 = 140µSv/h Organdosis (für die
Hand,
bzw. den Finger der den Glühstrumpf hält).
An dieser Stelle fällt natürlich sofort
ein deutlicher
Unterschied dieses Ergebnisses im Vergleich zu dem Ergebnis aus dem
vorangegangenen Versuch mit der ZP1320 auf. Eine
Lesermeinung besagt, das die Messschaltung oben in Verbindung mit dem
Hochfrequenzzähler aufgrund schaltungstechnischer Mängel zu
Schwingungen neigt. Diese Schwingungen
(Störsignal) werden
zusätzlich gezählt und auf
diese Weise gibt es ein zu hohes Zählergebnis. Im Gegensatz
dazu liefert der LB 1210 das erwünschte Messergebnis. Ich
persönlich neige dazu, sowohl diese Vorstellung, als auch die
Interpretation eines durchaus wünschenswerten Schwingungseffektes
( z.B. Möglichkeit von Resonanzeffekten auf eine in der Strahlung
enthaltenen Welle ?) in eine
gemeinsame Vorstellung zu integrieren.
Nun zum letzten Versuch auf dieser Seite:
Wird eine
3mm dicke Plexiglasplatte
zwischen Glühstrumpf und Messgerät gelegt, dann zeigt das Messgerät noch 100 CPS an.
Bild5:
Beta-Aktivität gemessen mit 1210 und Multiplikationsfaktor 10 :
ca. 100 CPS (Thorium
Glühstrumpf hinter 3mm Plexiglasplatte)
In der Literatur wird Thorium als reiner Alpha-Strahler angegeben. In
der Zerfallsreihe entstehen jedoch offenbar neben Alpha-Anteilen auch
Nuklide mit einem Beta-Zerfall. Sogar Gamma-Strahlung ist
mit einfachen Mess-Methoden an dem von mir verwendeten
Thorium-Glühstrumpf nachweisbar. Möglicherweise geben viele
in der Literatur angegebenen Zerfallsreihen eine vereinfachte
Darstellung wieder. Das Xenon-Zählrohr des
LB1210 erfasst Beta- u. Gamma- Anteile.
Bild6: Thorium
Zerfallsreihe aus der Literatur
Die nächsten Bilder dienen dem Vergleich der
Aktivitäten des Thorium-Glühstrumpfes mit der Aktivität
eines kleinen 0,46 Gramm Stückchen Pechblende :
Bild7 : 0,46 Gramm thoriumreiche Pechblende befindet sich unter dem LB1210 ;
gemessene Impulsrate : 340/s (ca. 50 fach über Backgr.)
Der Thorium Glühstrumpf lieferte eine doppelt so hohe Impulsrate.
Für einen brauchbaren Vergleich sollte die
Probenoberfläche die effektive Sondenoberfläche
möglichst überdecken. Dies ist in diesem Falle leider nicht
gegeben. Der Glühstrumpf ist wesenentlich kleiner, als die
effektive Sensorfläche des LB1210.
Messungen an einem Thorium-Glühstrumpf
mit verschiedenen Strahlenmessgeräten.
1. Messung mit dem YB-Mini-Monitor
Nun auch eine Messung am
Thoriumglühstrumpf mit dem YB-Mini-Monitor.
Der Glühstrumpf liegt in seiner Umhüllung unter dem
Messgerät. Die empfindlich eingestellten LED Warnlampen
am YB-Mini-Monitor leuchten alle innerhalb weniger Sekunden auf. An dem
kleinen eingebauten Impulszähler des
YBMM04 sind
23µSv/h Äquivalentdosisleistung ablesbar.
Radioaktivität eines alten Thoriumglühstrumpf ,
23µSv/h Äquivalentdosisleistung , gemessen mit dem YB-Mini-Monitor
2. Messen mit dem RKSB-104
Eine Vergleichsmessung mit dem russischen RKSB-104 zeigt das folgende Bild. Gemessen wird mit geöffnetem Beta-Fenster.
Vergleichsmessung an einem Thorium Glühstrumpf mit dem RKSB-104
angezeigt werden ca. 19 µSv/h Äquivalentdosisleistung
3. Messen mit dem SV500
Der
SV500 ist ein in Deutschland weit verbreitetes Strahlenmessgerät, das
für militärische Einsätze konstruiert wurde. Die
empfindlichste Skala beim SV500 zeigt bis maximal 5mrad/h an. Das
entspricht 50µSv/h Äquivalentdosisleistung. Ich habe den empfindlichsten Messbereich am SV00 für die
folgende Messung eingestellt.
Nun habe ich einen alten
Thoriumglühstrumpf auf die keine Beta-Gamma-Sonde des SV500
gelegt. Das Beta-Fenster der Sonde ist geöffnet.
Bild6b : Messen der Beta-Gamma-Äquivalentdosisleistung an einem alten Thorium-Glühstrumpf mit dem SV500
Es werden am SV500 etwa 25µSv/h (2,5mrad/h) angezeigt.
4. Messen mit dem YB-Mini-Monitor :
Der YB-Mini-Monitor ist ein sehr empfindliches Strahlenmessgerät.
Bauanleitungen für dieses Gerät sind auf folgender WEB-Seite
zu finden.
--> Bauanleitung zum YB-Mini-Monitor
Heutzutage
tut die Bevölkerung gut daran, wenn sie damit rechnet, das
radioaktiver Abfall versehentlich oder absichtlich in der Umwelt
verteilt wird.
Den YB-Mini-Monitor habe ich vor einigen Jahren zu konstruieren
begonnen, nachdem mir bewusst wurde, das seit einigen Jahrzehnten eine
unglaublich weitreichende Katastrophe stattfindet, nämlich die
schleichende Kontamination der Erdoberfläche mit radioaktiven
Stoffen. Große Mengen radioaktiver Stoffe werden von
Industrieunternehmen zusammen mit fossilen Brennstoffen aus dem
Erdinnern an die Erdoberfläche transportiert, und hier offenbar
weitgehend unbeachtet von der Öffentlichkeit unkontrolliert
verteilt.
Meine Idee war daraufhin, ein Messgerät für
Radioaktivität zu bauen, welches für eine sensible
Überwachung der privaten Wohnumgebung und Kontrolle schleichender
Kontamination geeignet ist. Dies erforderte ein Messgerät, welches
weitaus sensibler und genauer auch auf Veränderungen im Bereich
der Niedrig-Dosis-Radioaktivität reagiert, als es
handelsübliche Geräte tun.
Natürliche Nuklide aus dem Erdinnern sind sehr starke
Beta-Strahler (Radium, Thorium, Uran). Treten diese in unnatürlich
hoher Konzentration auf, werden sie auch NORM-Stoffe genannt.
NORM-Stoffe werden von verschiedenen Industrieunternehmen vermutlich
zusammen mit fossilen Brennstoffen an die Erdoberfläche getragen
und hier unkontrolliert entsorgt. Viele natürliche radioaktive
Stoffe sind an der hohen Beta-Strahlung erkennbar. Beta-Strahlung kann
sehr gefährlich werden, sobald diese auf den ungeschützten
Körper trifft. Deshalb kommt Beta-Strahlung in einer gesunden
natürlichen Umgebung an der Erdoberfläche mit Ausnahme von
Spuren in Kalium nicht vor.
Dies begann sich vor einigen Jahrzehnten zu ändern.
Industrieunternehmen fördern Radium, Thorium und Uran haltiges
Material aus dem Erdinnern in großen Mengen an die
Erdoberfläche und entsorgen dies unkontrolliert. Beta-Strahlung
wird von ungeschützten Körperteilen vollständig
absorbiert und richtet mit der vollen Energie einen 100%igen Schaden in
den Zellen des lebendigen Körpers an.
Beispielmessung am Thoriumglühstrumpf mit dem YB-Mini-Monitor:
Bild 7 : Messung am Thorium-Glühstrumpf mit dem YB-Mini-Monitor
YB-MM-SI8b . Alle roten Warn-LED leuchten sofort auf.
Gemessen wird hier im DOSIS-Messmodus x0,01
Messungen bis 180,00µSv/h Hintergrundstrahlung.
Beispiel: Radioaktivität eines alten Thoriumglühstrumpf ,
28,17µSv/h Äquivalentdosisleistung , gemessen mit dem YB-Mini-Monitor
YB-MM-SI8b.
Mehr Informationen zum YB-Mini-Monitor --> KLICK Hier
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(letzte Textänderung auf dieser Seite : 11.03.2015)
