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Dies ist ein Projekt von Chetan Reinhard Sannyas Meditationzentrum Deutschland
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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 :

Beta-Aktivität gemessen mit ZP1320 an Thorium Glühstrumpf  
Bild1: Beta-Aktivität gemessen mit ZP1320 an ungeschütztem Thorium Glühstrumpf (400 CPS)

Messung an Thorium Glühstrumpf mit ZP1320
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. 

Beta-Aktivität gemessen an Thorium Glühstrumpf hinter 3mm Plexiglas mit ZP132017,8 CPS mit ZP1320 an mit 3mm Plexiglas abgedeckten Thoriumglühstrumpf
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 :

Beta-Aktivität gemessen mit LB1210 an Thorium Glühstrumpf
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.
 

Ein kleines Demo-Programm welches anhand eines vereinfachten Zerfallschemas Aktivitäten beim Thoriumzerfall simuliert gibt es hier zum download:
THORIUM.ZIP : Demo Programm zum Thoriumzerfall

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.
Ergebnis einer dynamischen Simulation der spontanen Umwandlung von Thorium (Thoriumzerfall)
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]
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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.

Beta-Aktivität gemessen an Thorium Glühstrumpf mit Berthold LB1210

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.



Thorium Zerfallsreihe
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 :
0,46 Gramm und wenige Kubikmilimeter Pechblende 0,46 Gramm Pechblende
Aktivitätsmessung an 0,46 Gramm Pechblende : 340 Impulse pro Sekunde
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.
Äquivalentdosis messen an einem Thorium Glühstrumpf
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.

Messung der natürlicen Hintergrundstrahlung mit dem SV500
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:

YB-Mini-Monitor YB-MM-SI8b
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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Chetan Reinhard
Sannyas
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Info:
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(letzte Textänderung auf dieser Seite : 11.03.2015)