Strahlendosimetrie

Strahlung ist überall um uns herum . In, um und über der Welt, in der wir leben. Es ist eine natürliche Energiekraft, die uns umgibt. Es ist ein Teil unserer natürlichen Welt, die seit der Geburt unseres Planeten hier ist. Alle Lebewesen waren und sind seit jeher ionisierender Strahlung ausgesetzt . Ionisierende Strahlung wird durch Kernreaktionen , Kernzerfall , durch sehr hohe Temperaturen oder durch Beschleunigung geladener Teilchen in elektromagnetischen Feldern erzeugt.

Natürliche Hintergrundstrahlung

Natürliche Strahlenquellen sind ionisierende Strahlung, die aus einer Vielzahl natürlicher Quellen stammen. Diese Strahlung ist mit keiner menschlichen Aktivität verbunden. Alle Lebewesen waren und sind seit jeher ionisierender Strahlung ausgesetzt . Diese Strahlung ist mit keiner menschlichen Aktivität verbunden. Es gibt radioaktive Isotope in unserem Körper, in Häusern, in der Luft, im Wasser und im Boden. Wir alle sind auch Strahlung aus dem Weltraum ausgesetzt.

Quellen der natürliche Strahlenquellen

Wir teilen alle diese natürlichen Strahlungsquellen in drei Gruppen ein:

• Kosmische Strahlung
• Terrestrische Strahlung
• Interne Strahlung

Kosmische Strahlung

Kosmische Strahlung bezieht sich auf Strahlungsquellen in Form von kosmischen Strahlen, die von der Sonne oder aus dem Weltraum kommen. In Bodennähe tragen die  Myonen mit Energien, die meist zwischen 1 und 20 GeV liegen, etwa 75% zur absorbierten Dosisrate in freier Luft bei. Der Rest stammt von Elektronen, die von den Myonen erzeugt werden oder in der elektromagnetischen Kaskade vorhanden sind. Die jährliche Dosis der kosmischen   Strahlung  auf Meereshöhe beträgt etwa  0,27 mSv (27 mrem). Wenn Sie in höheren Lagen leben oder ein häufiger Fluggast sind, kann diese Exposition erheblich höher sein, da die Atmosphäre hier dünner ist. Die Wirkung des  Erdmagnetfeldes  bestimmt auch die Dosis aus der  kosmischen Strahlung .

Die kosmische Strahlung kann je nach Herkunft in verschiedene Arten unterteilt werden. Es gibt drei Hauptquellen für solche Strahlung:

• Solare kosmische Strahlung . Unter kosmischer Sonnenstrahlung versteht man Strahlungsquellen in Form von energiereichen Teilchen (vorwiegend Protonen), die von der Sonne emittiert werden, hauptsächlich bei Sonnenpartikelereignissen (SPEs).
• Galaktische kosmische Strahlung . Galaktische kosmische Strahlung, GCR, bezieht sich auf Strahlungsquellen in Form von energiereichen Partikeln, die außerhalb des Sonnensystems, aber im Allgemeinen innerhalb unserer Milchstraßengalaxie stammen.
• Strahlung von Erdstrahlungsgürteln ( van Allen-Gürtel ). Van-Allen-Strahlungsgürtel sind  Zonen hochenergetischer Partikel (insbesondere Protonen), die vom Erdmagnetfeld eingefangen werden.

Natürlicher Hintergrund im Flugzeug – Strahlung im Flug

Die Exposition gegenüber  kosmischer Strahlung  nimmt mit der Höhe rasch zu. Im Flug sind zwei Hauptquellen natürlicher Strahlung zu berücksichtigen:  Galaktische kosmische Strahlen,  die immer vorhanden sind, und solare Protonenereignisse, manchmal auch als solare kosmische Strahlenereignisse (SCR) bezeichnet, die sporadisch auftreten. Die Dosisleistung der kosmischen Strahlung variiert in verschiedenen Teilen der Welt und hängt stark vom Erdmagnetfeld, der Höhe und dem Sonnenzyklus ab. Das Strahlungsfeld in Flugzeughöhen besteht aus Neutronen, Protonen und Pionen. Im Flug tragen  Neutronen 40 – 80%  zur  Äquivalentdosis bei, abhängig vom Erdmagnetfeld, der Höhe und dem Sonnenzyklus. Die Dosisleistung für kosmische Strahlung in Flugzeugen ist so hoch (aber nicht gefährlich), dass laut UNSCEAR 2000-Bericht der Vereinten Nationen Flugbesatzungsmitarbeiter im Durchschnitt mehr Dosis erhalten als alle anderen Arbeitnehmer, einschließlich derjenigen in Kernkraftwerken.

Die Bodendosisrate beträgt im Durchschnitt etwa 0,10 μSv / h, kann jedoch bei maximaler Flughöhe (8,8 km oder 29.000 ft) etwa  2,0 μSv / h  (oder sogar höhere Werte) erreichen. Eine Dosisleistung von  4 μSv / h  kann verwendet werden, um die durchschnittliche Dosisleistung für alle Langstreckenflüge (aufgrund höherer Flughöhen) darzustellen. Für Überschallflugzeuge wie die Concorde, die in 3,5 Stunden einen Transatlantikflug durchführen könnten, muss hinzugefügt werden, dass die Expositionsrate (ca. 9 μSv / h ) in ihrer Höhe von 18 km ausreichend erhöht wurde, um die gleiche Exposition gegenüber kosmischen Strahlen pro Flugzeug zu erzielen  Kreuzung wie bei konventionellen Jets, die sich in ca. 8 km Länge bewegen.

Erdmagnetfeld als Strahlungsschild

Das Erdmagnetfeld  bietet einen lebenswichtigen Strahlenschutz für kosmische Strahlung. Neben einer schützenden Atmosphäre haben wir auch das Glück, dass die Erde ein Magnetfeld hat. Das Magnetfeld erstreckt sich über mehrere Zehntausende Kilometer in den Weltraum und schützt die Erde vor den geladenen Teilchen des Sonnenwinds und den kosmischen Strahlen, die sonst die obere Atmosphäre ablösen würden, einschließlich der Ozonschicht, die die Erde vor schädlicher ultravioletter Strahlung schützt. Es schützt uns vor den vollen Auswirkungen des Sonnenwinds und der GCR. Ohne diesen Schutz könnte die Biosphäre der Erde nicht so existieren wie heute oder zumindest auf den Untergrund beschränkt sein. Das Erdmagnetfeld bietet auch einen Strahlenschutz für Astronauten und die ISS selbst, da es sich in einer niedrigen Erdumlaufbahn befindet.

Berechnungen des Verlusts von Kohlendioxid aus der Marsatmosphäre infolge des Abfangens von Ionen durch den Sonnenwind zeigen, dass die Dissipation des Magnetfelds des Mars einen nahezu vollständigen Verlust seiner Atmosphäre verursachte.

Terrestrische Strahlung

Terrestrische Strahlung bezieht sich auf Strahlungsquellen, die sich im Boden, im Wasser und in der Vegetation befinden. Die Hauptisotope, die für die terrestrische Strahlung von Belang sind, sind Uran und die Zerfallsprodukte von Uran wie Thorium, Radium und Radon. Die durchschnittliche Dosisleistung, die von terrestrischen Nukliden ausgeht (außer Radonexposition), beträgt etwa  0,057 µGy / h. Die Maximalwerte wurden an Monazitsand in Guarapari, Brasilien (bis zu 50 µGy / h und in Kerala, Indien (ca. 2 µGy / h) und an Gesteinen mit hoher Radiumkonzentration in Ramsar, Iran (von 1 bis 10) gemessen µGy / h).

Die durchschnittliche jährliche Strahlendosis einer Person von Radon beträgt etwa  2 mSv / Jahr  und kann über viele Größenordnungen von Ort zu Ort variieren. Radon ist so wichtig, dass es normalerweise separat behandelt wird. Radon  ist ein farbloses, geruchloses, geschmackloses  Edelgas , das kontinuierlich aus dem Grundgestein sickert, sich aber aufgrund seiner hohen Dichte in schlecht belüfteten Häusern ansammeln kann. Die Tatsache, dass  Radon Gas ist,  spielt eine entscheidende Rolle bei der Ausbreitung aller seiner Tochterkerne. Einfach Radon ist ein Transportmedium vom Grundgestein in die Atmosphäre (oder in Gebäude) für seine kurzlebigen Zerfallsprodukte ( Pb-210  und  Po-210 ), die viel mehr Gesundheitsrisiken bergen.

Interne Strahlung

Zusätzlich zu den kosmischen und terrestrischen Quellen haben alle Menschen von Geburt an radioaktives Kalium-40, Kohlenstoff-14, Blei-210 und andere Isotope in ihrem Körper.

Diese Isotope sind insbesondere  Kalium-40 , Kohlenstoff-14 und auch die Isotope von Uran und Thorium. Die Variation der Strahlendosis von einer Person zur anderen ist nicht so groß wie die Variation der Dosis aus kosmischen und terrestrischen Quellen. Die durchschnittliche jährliche Strahlendosis für eine Person aus anderen internen radioaktiven Materialien als Radon beträgt etwa  0,3 mSv / Jahr,  wovon:

• 0,2 mSv / Jahr stammen aus Kalium-40,
• 0,12 mSv / Jahr stammen aus der Uran- und Thoriumreihe,
• 12 μSv / Jahr stammen aus Kohlenstoff-40.

Hintergrund Strahlung und Gesundheitsgefahr

Ohne Strahlung kann man nicht durchs Leben gehen. Die Gefahr ionisierender Strahlung besteht darin, dass die Strahlung unsichtbar und für die menschlichen Sinne nicht direkt nachweisbar ist. Menschen können weder Strahlung sehen noch fühlen, aber sie lagern Energie an die Moleküle des Körpers ab.

Aber keine Sorge , die Dosen der Hintergrundstrahlung sind normalerweise  sehr gering (außer Radonexposition). Niedrige Dosis bedeutet hier zusätzliche kleine Dosen, die mit der normalen  Hintergrundstrahlung vergleichbar sind  ( 10 µSv  = durchschnittliche Tagesdosis aus natürlichem Hintergrund). Das Problem ist, dass es bei sehr niedrigen Dosen praktisch unmöglich ist, eine Bestrahlung mit bestimmten biologischen Wirkungen zu korrelieren. Dies liegt daran, dass die Grundkrebsrate bereits sehr hoch ist und das Krebsrisiko aufgrund des individuellen Lebensstils und der Umwelteinflüsse um 40% schwankt, wodurch die subtilen Auswirkungen geringer Strahlung verdeckt werden.

Zweitens, und dies ist von entscheidender Bedeutung, muss noch die Wahrheit über die gesundheitlichen Auswirkungen von Strahlung mit niedriger Dosis herausgefunden werden. Es ist nicht genau bekannt, ob diese niedrigen Strahlungsdosen schädlich oder vorteilhaft sind (und wo die Schwelle liegt). Regierung und Aufsichtsbehörden gehen von einem LNT-Modell anstelle einer Schwelle oder Hormese aus, nicht weil es wissenschaftlich überzeugender ist, sondern weil es die konservativere Schätzung ist . Das Problem dieses Modells ist, dass es eine Reihe von verteidigungsbiologischen Prozessen vernachlässigt   , die bei niedrigen Dosen entscheidend sein können  . Die Forschung in den letzten zwei Jahrzehnten ist sehr interessant und zeigt, dass kleine Strahlungsdosen bei niedriger Dosisrate  die Abwehrmechanismen stimulieren. Daher wird das LNT-Modell nicht allgemein akzeptiert, da einige eine adaptive Dosis-Wirkungs-Beziehung vorschlagen, bei der niedrige Dosen schützend und hohe Dosen schädlich sind. Viele Studien haben dem LNT-Modell widersprochen, und viele von ihnen haben eine adaptive Reaktion auf niedrig dosierte Strahlung gezeigt, was zu reduzierten Mutationen und Krebs führt. Dieses Phänomen ist als  Strahlenhormese bekannt .

Gemäß der Hypothese der Strahlenhormese ist eine Strahlenexposition, die mit dem natürlichen Hintergrundstrahlungsniveau vergleichbar ist und knapp darüber liegt, nicht schädlich, aber vorteilhaft, während akzeptiert wird, dass viel höhere Strahlungsniveaus gefährlich sind. Die Argumente für die Hormese konzentrieren sich auf einige groß angelegte epidemiologische Studien und die Erkenntnisse aus Tierbestrahlungsexperimenten, vor allem aber auf die jüngsten Fortschritte bei der Kenntnis der adaptiven Reaktion. Befürworter der Strahlenhormese behaupten typischerweise, dass Strahlenschutzreaktionen in Zellen und im Immunsystem nicht nur den schädlichen Auswirkungen der Strahlung entgegenwirken, sondern zusätzlich spontanen Krebs hemmen, der nicht mit der Strahlenexposition zusammenhängt.

Siehe auch: LNT-Modell

Oberflächenkontamination

Oberflächenkontamination bedeutet, dass radioaktives Material auf Oberflächen (wie Wänden, Böden) abgelagert wurde. Es kann sich locker ablagern, ähnlich wie normaler Staub, oder es kann durch chemische Reaktion ziemlich fest fixiert werden. Diese Unterscheidung ist wichtig, und wir klassifizieren die Oberflächenverunreinigung danach, wie leicht sie entfernt werden kann:

• Freie Kontamination . Im Falle einer freien Kontamination (oder einer losen Kontamination) kann das radioaktive Material verteilt werden. Dies ist eine Oberflächenverunreinigung, die mit einfachen Dekontaminierungsmethoden leicht entfernt werden kann. Wenn beispielsweise Staubpartikel, die verschiedene Radioisotope enthalten, auf der Haut oder den Kleidungsstücken der Person landen, können wir sie reinigen oder Kleidung entfernen. Sobald eine Person dekontaminiert wurde, werden alle partikulären Radioaktivitätsquellen beseitigt und die Person ist nicht mehr kontaminiert. Freie Kontamination ist auch eine ernstere Gefahr als feste Kontamination, da Staubpartikel in die Luft gelangen und leicht aufgenommen werden können. Dies führt zu einer inneren Belastung durch radioaktive Kontaminanten. Obwohl fast alle Verunreinigungen mit Begleit Beta radioaktiv sindGamma-Emission , aber es besteht auch die Möglichkeit einer Alpha-Kontamination in Bereichen, in denen mit Kernbrennstoffen umgegangen wird.
• Feste Verschmutzung . Bei fester Verunreinigung kann sich das radioaktive Material nicht ausbreiten, da es chemisch oder mechanisch an Strukturen gebunden ist. Es kann nicht mit normalen Reinigungsmethoden entfernt werden. Feste Kontaminationen stellen eine geringere Gefahr dar als freie Kontaminationen. Sie können nicht resuspendiert oder auf die Haut übertragen werden. Daher handelt es sich in der Regel nur um eine externe Gefahr. Zum anderen hängt es vom Verschmutzungsgrad ab. Obwohl fast alle Verunreinigungen Beta-radioaktiv sind und gleichzeitig Gamma-Emissionen verursachenEs besteht jedoch auch die Möglichkeit einer Alpha-Kontamination in Bereichen, in denen Kernbrennstoffe gehandhabt werden. Sofern der Grad der Kontamination nicht sehr hoch ist, ist die Dosisrate der Gammastrahlung gering und die Exposition von außen ist nur in Kontakt mit oder in unmittelbarer Nähe der kontaminierten Oberflächen signifikant. Da Beta-Partikel weniger eindringen als Gammastrahlen , kann die Beta-Dosisrate nur bei Kontakt hoch sein. Ein Kontaktwert von 1 mSv / h bei einem Verschmutzungsgrad von 400 – 500 Bq / cm ² ist ziemlich repräsentativ.

Berechnung der abgeschirmten Dosisleistung in Sieverts von kontaminierten Oberflächen

Man nehme eine Oberfläche an, die mit 1,0 Ci von ¹³⁷ Cs verunreinigt ist . Es sei angenommen , dass diese Verunreinigung durch die aproximated werden Punkte isotrope Quelle , die enthält 1,0 Ci von ¹³⁷ Cs , das eines hat Halbwertzeit von 30,2 Jahren . Es ist zu beachten, dass die Beziehung zwischen der Halbwertszeit und der Menge eines Radionuklids, die erforderlich ist, um eine Aktivität von einem Curie zu ergeben , nachstehend gezeigt ist. Diese Materialmenge kann mit λ berechnet werden, was die Zerfallskonstante eines bestimmten Nuklids ist:

Etwa 94,6 Prozent zerfallen durch Beta-Emission zu einem metastabilen Kernisomer von Barium: Barium-137m. Der Hauptphotonenpeak von Ba-137m beträgt 662 keV . Für diese Berechnung wird angenommen, dass alle Zerfälle diesen Kanal durchlaufen.

Berechnen Sie die primäre Photonendosisrate in Sieverts pro Stunde (Sv.h ^-1 ) an der Außenfläche eines 5 cm dicken Bleischilds . Dann berechnet die äquivalent und wirksame Dosisraten für zwei Fälle.

1. Angenommen, dieses äußere Strahlungsfeld durchdringt den gesamten Körper gleichmäßig . Das heißt: Berechnen Sie die effektive Ganzkörperdosisleistung .
2. Nehmen Sie an, dass dieses externe Strahlungsfeld nur die Lunge durchdringt und die anderen Organe vollständig abgeschirmt sind. Das heißt: Berechnen Sie die effektive Dosisleistung .

Beachten Sie, dass die primäre Photonendosisrate alle sekundären Partikel vernachlässigt. Angenommen, der effektive Abstand der Quelle vom Dosispunkt beträgt 10 cm . Wir werden auch annehmen, dass der Dosispunkt Weichgewebe ist und vernünftigerweise durch Wasser simuliert werden kann, und wir verwenden den Massenenergieabsorptionskoeffizienten für Wasser.

Siehe auch: Gammastrahlendämpfung

Siehe auch: Abschirmung von Gammastrahlen

Lösung:

Die Primärphotonendosisrate wird exponentiell abgeschwächt , und die Dosisrate von Primärphotonen unter Berücksichtigung der Abschirmung ist gegeben durch:

Wie zu sehen ist, berücksichtigen wir den Aufbau von Sekundärstrahlung nicht. Wenn Sekundärteilchen erzeugt werden oder wenn die Primärstrahlung ihre Energie oder Richtung ändert, ist die effektive Dämpfung viel geringer. Diese Annahme unterschätzt im Allgemeinen die wahre Dosisleistung, insbesondere für dicke Schilde und wenn der Dosispunkt nahe an der Schildoberfläche liegt, aber diese Annahme vereinfacht alle Berechnungen. In diesem Fall ist die tatsächliche Dosisleistung (mit dem Aufbau von Sekundärstrahlung) mehr als doppelt so hoch.

Um die absorbierte Dosisleistung zu berechnen , müssen wir in der Formel Folgendes verwenden:

• k = 5,76 · 10 & supmin; & ^sup7;
• S = 3,7 × 10 ¹⁰ s ^–1
• E = 0,662 MeV
• μ _t / ρ =  0,0326 cm ² / g (Werte sind bei NIST erhältlich)
• μ = 1,289 cm ^-1 (Werte sind bei NIST erhältlich)
• D = 5 cm
• r = 10 cm

Ergebnis:

Die resultierende absorbierte Dosisrate in Grautönen pro Stunde beträgt dann:

1) Gleichmäßige Bestrahlung

Da der Strahlungsgewichtungsfaktor für Gammastrahlen gleich eins ist und wir das gleichmäßige Strahlungsfeld angenommen haben (der Gewebegewichtungsfaktor ist ebenfalls gleich eins), können wir die äquivalente Dosisrate und die effektive Dosisrate (E = H _T ) direkt berechnen ) aus der absorbierten Dosisrate als:

2) Teilbestrahlung

In diesem Fall gehen wir nur von einer teilweisen Bestrahlung der Lunge aus. Wir müssen also den Gewebegewichtungsfaktor verwenden , der gleich w _T = 0,12 ist . Der Strahlungsgewichtungsfaktor für Gammastrahlen ist gleich eins. Als Ergebnis können wir die effektive Dosisleistung wie folgt berechnen:

Wenn ein Körperteil (z. B. die Lunge) eine Strahlendosis erhält, besteht das Risiko einer besonders schädlichen Wirkung (z. B. Lungenkrebs). Wenn die gleiche Dosis einem anderen Organ verabreicht wird, stellt dies einen anderen Risikofaktor dar.

Wenn wir den Aufbau von Sekundärstrahlung berücksichtigen wollen, müssen wir den Aufbaufaktor einbeziehen. Die erweiterte Formel für die Dosisleistung lautet dann:

Kontamination wird im Allgemeinen als das Vorhandensein eines unerwünschten Bestandteils, eines Schadstoffs oder einer Verunreinigung an einem Ort (Material, physischer Körper, natürliche Umgebung, Arbeitsplatz) bezeichnet, an dem dies nicht beabsichtigt oder gewünscht ist. Kontamination hat eine viel allgemeinere Bedeutung, da sie in Disziplinen wie Chemie, Umweltschutz, Strahlenschutz oder Landwirtschaft definiert werden kann.

Radioaktive Kontamination wird als das Vorhandensein unerwünschter radioaktiver Substanzen auf Oberflächen oder in Festkörpern (einschließlich des menschlichen Körpers), Flüssigkeiten oder Gasen bezeichnet, wenn deren Vorhandensein unbeabsichtigt oder unerwünscht ist. Radioaktive Kontamination besteht aus radioaktiven Atomen (Material), die dem System oder der Struktur entkommen sind, die sie normalerweise enthalten würden. Da es sich bei radioaktiver Kontamination um radioaktives Material handelt, wird durch die Kontamination ionisierende Strahlung emittiert. Es ist sehr wichtig, welches Material (welches Radioisotop) die radioaktive Verunreinigung ist. Es ist auch sehr wichtig, zwischen radioaktiver Kontamination und Strahlung selbst zu unterscheiden .

Kontamination versus Strahlung

Radioaktive Kontamination besteht aus radioaktivem Material, das ionisierende Strahlung erzeugt. Es ist die Strahlungsquelle, nicht die Strahlung selbst. Immer wenn sich radioaktives Material nicht in einem verschlossenen Behälter mit radioaktiver Quelle befindet und möglicherweise auf andere Objekte übertragen wird, besteht die Möglichkeit einer radioaktiven Kontamination. Radioaktive Kontamination kann durch folgende Punkte gekennzeichnet sein:

• Radioaktive Kontamination besteht aus radioaktivem Material (Kontaminanten), das fest, flüssig oder gasförmig sein kann. Große Verunreinigungen können sogar sichtbar sein, aber Sie können die erzeugte Strahlung nicht sehen.
• Bei der Freisetzung können sich Verunreinigungen durch Luft, Wasser oder nur durch mechanischen Kontakt ausbreiten.
• Wir können Verunreinigungen nicht abschirmen.
• Wir können Kontaminationen durch Schutz der Integrität von Barrieren (Quellcontainer, Brennstoffhülle, Reaktorbehälter , Sicherheitsbehälter ) mindern.
• Da Verunreinigungen chemisch interagieren, können sie in Objekten wie dem menschlichen Körper enthalten sein.
• Wir können Verunreinigungen durch viele mechanische, chemische (Oberflächen dekontaminieren) oder biologische Prozesse ( biologische Halbwertszeit) beseitigen .
• Es ist von höchster Wichtigkeit, welches Material die radioaktive Verunreinigung ist ( Halbwertszeit , Zerfallsart, Energie).

Ionisierende Strahlung wird von hochenergetischen Teilchen ( Photonen , Elektronen usw. ) gebildet, die Materie durchdringen und Zielatome ionisieren können (um Ionen durch Elektronenverlust zu bilden), um Ionen zu bilden. Die Strahlenexposition ist die Folge des Vorhandenseins in der Nähe der Strahlungsquelle. Die Strahlenexposition als Größe ist definiert als Maß für die Ionisierung von Material aufgrund ionisierender Strahlung. Die Gefahr ionisierender Strahlung liegt darin, dass die Strahlung unsichtbar istund nicht direkt von den menschlichen Sinnen erkennbar. Menschen können weder Strahlung sehen noch fühlen, aber sie lagern Energie an die Moleküle des Körpers ab. Die Energie wird für jede Wechselwirkung zwischen Strahlung und einem Molekül in kleinen Mengen übertragen, und es gibt normalerweise viele solcher Wechselwirkungen. Im Gegensatz zur radioaktiven Kontamination kann Strahlung durch folgende Punkte charakterisiert werden:

• Strahlung besteht aus hochenergetischen Partikeln, die Materie durchdringen und Zielatome ionisieren können (um Ionen durch Verlust von Elektronen zu bilden). Strahlung ist unsichtbar und für die menschlichen Sinne nicht direkt erkennbar. Es ist zu beachten, dass Betastrahlung aufgrund von Cherenkov-Strahlung indirekt sichtbar ist .
• Im Gegensatz zur Kontamination kann die Strahlung von keinem Medium verbreitet werden. Es wandert durch Materialien, bis es seine Energie verliert. Wir können Strahlung abschirmen (z. B. indem wir um die Ecke stehen).
• Die Exposition gegenüber Ionisierung bedeutet nicht zwangsläufig, dass das Objekt radioaktiv wird (mit Ausnahme sehr seltener Neutronenstrahlung).
• Strahlung kann Barrieren durchdringen, aber eine ausreichend dicke Barriere kann alle Auswirkungen minimieren.
• Im Gegensatz zu Verunreinigungen kann Strahlung nicht chemisch mit Materie interagieren und nicht im Körper gebunden werden.
• Es ist nicht wichtig, welches Material die Quelle bestimmter Strahlung ist. Nur die Art der Strahlung und Energie spielt eine Rolle.

Es gibt ein gemeinsames Merkmal: Natürliche Strahlung und natürliche Verunreinigungen sind überall um uns herum . In, um und über der Welt, in der wir leben. Es ist eine natürliche Energiekraft, die uns umgibt. Es ist ein Teil unserer natürlichen Welt, der seit der Geburt unseres Planeten hier ist. Alle Lebewesen waren und sind von Anfang an ionisierender Strahlung ausgesetzt . Natürliche Hintergrundstrahlung ist ionisierende Strahlung, die aus verschiedenen natürlichen Quellen stammt. Alle Lebewesen waren und sind von Anfang an ionisierender Strahlung ausgesetzt. Diese Strahlung ist mit keiner menschlichen Aktivität verbunden. Es gibt radioaktive Isotope in unseren Körpern, Häusern, Luft, Wasser und im Boden. Wir alle sind auch Strahlung aus dem Weltraum ausgesetzt.

Arten der Kontamination

Radioaktive Materialien können auf Oberflächen oder in Material- oder Luftmengen vorhanden sein, und spezielle Techniken werden verwendet, um den Grad der Kontamination durch Detektion der emittierten Strahlung zu messen. Wir können zwischen folgenden Arten von Kontaminationen unterscheiden:

Oberflächenverunreinigung

Oberflächenkontamination bedeutet, dass radioaktives Material auf Oberflächen (wie Wänden, Böden) abgelagert wurde. Es kann sich lose ablagern, ähnlich wie gewöhnlicher Staub, oder es kann durch chemische Reaktion ziemlich fest fixiert werden. Diese Unterscheidung ist wichtig, und wir klassifizieren Oberflächenverunreinigungen danach, wie leicht sie entfernt werden können:

• Freie Kontamination . Bei freier Kontamination (oder loser Kontamination) kann sich das radioaktive Material ausbreiten. Dies ist eine Oberflächenverunreinigung, die mit einfachen Dekontaminationsmethoden leicht entfernt werden kann. Wenn beispielsweise Staubpartikel, die verschiedene Radioisotope enthalten, auf der Haut oder den Kleidungsstücken der Person landen, können wir sie reinigen oder Kleidung entfernen. Sobald eine Person dekontaminiert wurde, werden alle Partikel-Radioaktivitätsquellen eliminiert und die Person ist nicht mehr kontaminiert. Freie Kontamination ist auch eine ernstere Gefahr als feste Kontamination, da Staubpartikel in die Luft gelangen und leicht aufgenommen werden können. Dies führt zu einer internen Exposition durch radioaktive Verunreinigungen. Obwohl fast alle Verunreinigungen mit Begleitung Beta-radioaktiv sindGamma-Emission , aber es besteht auch die Möglichkeit einer Alpha-Kontamination in allen Bereichen, in denen Kernbrennstoffe gehandhabt werden.
• Feste Kontamination . Bei fester Verunreinigung kann das radioaktive Material nicht ausgebreitet werden, da es chemisch oder mechanisch an Strukturen gebunden ist. Es kann nicht mit normalen Reinigungsmethoden entfernt werden. Feste Kontamination ist eine weniger schwerwiegende Gefahr als freie Kontamination. Sie kann nicht resuspendiert oder auf die Haut übertragen werden. Daher ist die Gefahr normalerweise nur eine externe. Zum anderen kommt es auf den Verschmutzungsgrad an. Obwohl fast alle Verunreinigungen Beta-radioaktiv mit begleitender Gamma-Emission sindEs besteht jedoch auch die Möglichkeit einer Alpha-Kontamination in allen Bereichen, in denen Kernbrennstoffe gehandhabt werden. Sofern der Kontaminationsgrad nicht sehr stark ist, ist die Gammastrahlungsdosisrate gering und die externe Exposition ist nur bei Kontakt mit oder sehr nahe an den kontaminierten Oberflächen signifikant. Da Beta-Partikel weniger durchdringen als Gammastrahlen , kann die Beta-Dosisrate nur bei Kontakt hoch sein. Ein Wert von 1 mSv / h bei Kontakt für einen Kontaminationsgrad von 400 – 500 Bq / cm ² ist ziemlich repräsentativ.

Luftverschmutzung

Diese Art der Kontamination ist in Kernkraftwerken von besonderer Bedeutung , wo sie überwacht werden muss. Verunreinigungen können in die Luft gelangen, insbesondere beim Entfernen des Reaktorkopfkopfs, beim Auftanken des Reaktors und bei Manipulationen innerhalb des Pools abgebrannter Brennelemente. Die Luft kann insbesondere in Partikelform mit radioaktiven Isotopen kontaminiert sein, was eine besondere Gefahr beim Einatmen darstellt . Diese Verunreinigung besteht aus verschiedenen Spalt- und Aktivierungsprodukten, die in gasförmiger, dampfförmiger oder teilchenförmiger Form in die Luft gelangen. In Kernkraftwerken gibt es vier Arten von Luftverschmutzung:

• Partikel . Partikelaktivität ist eine interne Gefahr, da sie eingeatmet werden kann. In die Atemwege aufgenommenes transportables Partikelmaterial gelangt in den Blutkreislauf und wird zu allen Körperteilen transportiert. Nicht transportierbare Partikel bleiben mit einer bestimmten biologischen Halbwertszeit in der Lunge. Zum Beispiel sind Sr-90, Ra-226 und Pu-239 Radionuklide, die als knochensuchende Radionuklide bekannt sind. Diese Radionuklide haben lange biologische Halbwertszeiten und sind schwerwiegende innere Gefahren. Sobald sie im Knochen abgelagert sind, bleiben sie dort während der Lebenszeit des Individuums in ihrer Menge im wesentlichen unverändert. Die fortgesetzte Wirkung der emittierten Alpha-Partikel kann zu erheblichen Verletzungen führen: Über viele Jahre lagern sie ihre gesamte Energie in einem winzigen Gewebevolumen ab, da die Reichweite der Alpha-Partikel sehr kurz ist.
• Edelgase . Radioaktive Edelgase wie Xenon-133 , Xenon-135 und   Krypton-85 sind im Reaktorkühlmittel vorhanden, insbesondere wenn Kraftstofflecks vorhanden sind. Wenn sie im Kühlmittel erscheinen, gelangen sie in die Luft und können eingeatmet werden. Sie werden direkt nach dem Einatmen ausgeatmet, da der Körper nicht chemisch mit ihnen reagiert. Wenn Arbeiter in einer Edelgaswolke arbeiten, ist die externe Dosis, die sie erhalten, etwa 1000-mal höher als die interne Dosis. Aus diesem Grund sind wir nur über die externen Beta- und Gamma-Dosisraten besorgt.
• Radiojod . Radioiod , Jod-131 , ist ein wichtiges Radioisotop von Jod. Radioiod spielt eine wichtige Rolle als radioaktives Isotop in Kernspaltungsprodukten und trägt wesentlich zu den Gesundheitsgefahren bei, wenn es während eines Unfalls in die Atmosphäre freigesetzt wird. Jod-131 hat eine Halbwertszeit von 8,02 Tagen. Das Zielgewebe für die Radiojod-Exposition ist die Schilddrüse. Die externe Beta- und Gammadosis von Radiojod in der Luft ist im Vergleich zu der zugesagten Dosis für die Schilddrüse, die durch das Einatmen dieser Luft entstehen würde, vernachlässigbar. Die biologische Halbwertszeitfür Jod im menschlichen Körper beträgt etwa 80 Tage (nach ICRP). Jod in der Nahrung wird vom Körper aufgenommen und bevorzugt in der Schilddrüse konzentriert, wo es für die Funktion dieser Drüse benötigt wird. Wenn ¹³¹ I aufgrund radioaktiver Ausfälle in hohen Mengen in der Umwelt vorhanden ist, kann es durch kontaminierte Lebensmittel absorbiert werden und reichert sich auch in der Schilddrüse an. ¹³¹ I zerfällt mit einer Halbwertszeit von 8,02 Tagen mit Beta-Partikel- und Gamma-Emissionen. Wenn es zerfällt, kann es die Schilddrüse schädigen. Das Hauptrisiko bei Exposition gegenüber hohen Konzentrationen von ¹³¹ I ist das zufällige Auftreten von radiogenem Schilddrüsenkrebs im späteren Leben. Für ¹³¹ I hat ICRP berechnet, dass, wenn Sie 1 x 10 ⁶ einatmenBq erhalten Sie eine Schilddrüsendosis von H _T = 400 mSv (und eine gewichtete Ganzkörperdosis von 20 mSv).
• Tritium. Tritium ist ein Nebenprodukt in Kernreaktoren . Die wichtigste Quelle (aufgrund der Freisetzung von tritiiertem Wasser) von Tritium in Kernkraftwerken ist die Borsäure , die üblicherweise als chemische Unterlegscheibe verwendet wirdeinen Überschuss an anfänglicher Reaktivität zu kompensieren. Beachten Sie, dass Tritium energiearme Beta-Partikel mit einer geringen Reichweite im Körpergewebe emittiert und daher ein Gesundheitsrisiko darstellt, das durch interne Exposition nur nach Einnahme in Trinkwasser oder Nahrungsmitteln oder durch Einatmen oder Absorption durch die Haut entsteht. Das in den Körper aufgenommene Tritium ist gleichmäßig auf alle Weichteile verteilt. Laut ICRP beträgt eine biologische Halbwertszeit von Tritium 10 Tage für HTO und 40 Tage für OBT (organisch gebundenes Tritium), das aus HTO im Körper von Erwachsenen gebildet wird. Infolgedessen erhält eine Person bei einer Aufnahme von 1 x 10 ⁹ Bq Tritium (HTO) eine Ganzkörperdosis von 20 mSv (entspricht der Aufnahme von 1 x 10 ⁶ Bq von ¹³¹ I). Während für PWRs Tritium ein geringes Gesundheitsrisiko darstellt, zSchwerwasserreaktoren trägt es erheblich zur kollektiven Dosis der Werksarbeiter bei. Beachten Sie Folgendes: „Luft, die bei 35 ° C mit Moderatorwasser gesättigt ist, kann einem ungeschützten Arbeiter 3 000 mSv / h Tritium geben (siehe auch: JUBurnham. Strahlenschutz). Der beste Schutz vor Tritium kann mit einem Atemschutzgerät mit Luftzufuhr erreicht werden. Atemschutzgeräte mit Tritiumpatronen schützen die Arbeiter nur um den Faktor 3. Die einzige Möglichkeit, die Hautabsorption zu verringern, besteht darin, Kunststoffe zu tragen. In PHWR-Kraftwerken müssen Arbeiter Kunststoffe tragen, um in Atmosphären mit mehr als 500 μSv / h arbeiten zu können.

Atemschutzgeräte mit geeigneten Luftfiltern oder vollständig in sich geschlossene Anzüge mit eigener Luftversorgung können die Gefahren durch Luftverschmutzung mindern. Die Luftverschmutzung wird normalerweise mit speziellen radiologischen Instrumenten gemessen, die die Probenluft kontinuierlich durch einen Filter pumpen. Instrumente, die dies tun, werden als kontinuierliche Luftmonitore (Continuous Air Monitors, CAM) bezeichnet. Radioaktive Partikel in der Luft sammeln sich auf dem Filter, wo die Aktivität von einem Detektor gemessen wird, der sich in der Nähe des Filters befindet.

Siehe auch: Abgeleitete Luftkonzentration

Siehe auch: Jährliche Aufnahmegrenze

Dekontamination

Dekontamination ist ein Verfahren zur Reduzierung oder Entfernung radioaktiver Kontaminationen, um das Risiko einer Strahlenexposition zu verringern. Die Entfernung von Verunreinigungen aus besetzten Bereichen, Geräten und Personal ist wichtig, um eine Dosis ionisierender Strahlung so niedrig wie möglich zu halten (ALARA). Die Dekontamination verringert auch die Hintergrundstrahlung, den Bestand an radioaktivem Material und die Ausbreitung der Kontamination auf unkontrollierte Bereiche, Geräte und Personal.

Die Dekontamination kann durch Reinigen oder Behandeln von Oberflächen erfolgen, um die Kontamination zu verringern oder zu entfernen. Dies kann auch durch Filtern kontaminierter Luft oder kontaminierten Wassers oder durch Abdecken der Kontamination erreicht werden, um die Strahlung abzuschirmen oder zu absorbieren. Das Verfahren kann auch einfach ausreichend Zeit für den natürlichen radioaktiven Zerfall lassen, um die Radioaktivität zu verringern.

In Kernkraftwerken ist es unvermeidlich, dass viele Ausrüstungsgegenstände sowie Werkzeuge, Kleidung, Arbeitsbereiche und sogar Menschen kontaminiert werden. Dies ist durchaus üblich, da ein Teil des radioaktiven Materials an Oberflächen (z. B. der Schuhsohle) haftet. In diesem Fall werden die Arbeiter kontinuierlich überwacht und in diesem Fall muss die Oberflächenverunreinigung entfernt werden. Wir können Verunreinigungen durch viele mechanische, chemische (dekontaminierte Oberflächen) beseitigen. Biologische Prozesse ( biologische Halbwertszeit) immer bei innerer Verunreinigung arbeiten. Eine Person wird „radioaktiv“, wenn Staubpartikel, die verschiedene Radioisotope enthalten, auf der Haut oder den Kleidungsstücken der Person landen. Sobald eine Person durch Entfernen der Kleidung und Hautwäsche dekontaminiert wurde, werden alle Partikel-Radioaktivitätsquellen eliminiert und die Person ist nicht mehr kontaminiert.

Dekontaminationstechniken

Im Allgemeinen gibt es viele Techniken und Geräte, die zur Dekontamination von Oberflächen und Personen verwendet werden. In jedem Fall ist die Art der Kontamination und des kontaminierten Materials von Bedeutung. Beispielsweise ist es sehr schwierig, poröse Materialien zu dekontaminieren. Als allgemeine Orientierung für den Leser werden diese Dekontaminationstechniken und ihre Hauptanwendungen hervorgehoben in:

Sonderreferenz: Stand der Technik zur Dekontamination und Demontage von Kernkraftwerken, IAEO. IAEA Wien, 1999. ISBN 92–0–102499–1.

• Chemische Dekontamination . Die chemische Dekontamination ist eine der besten Methoden für die meisten Dekontaminierungsvorgänge, bei der mit Wasser gereinigt wird, dem ein oder mehrere geeignete chemische Reinigungsmittel zugesetzt wurden. Diese Methoden umfassen die Dekontamination mit chemischen Lösungen, chemischen Gelen, Schaumdekontamination usw. Das Entfernen der Kontamination vom Personal muss sorgfältig durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Haut nicht beschädigt wird und um zu verhindern, dass Kontamination in den Körper oder eine Wunde eindringt.
• Mechanische Dekontamination . Die mechanische Dekontamination kann insbesondere zur industriellen Dekontamination eingesetzt werden. Es gibt Dekontaminationsverfahren, bei denen die äußere Schicht der kontaminierten Oberfläche durch physikalische Kraft entfernt wird. Solche Methoden sind effektiv, aber etwas grob und zerstörerisch, und es ist möglicherweise nicht möglich, sie bei empfindlichen Objekten anzuwenden. Diese Methoden umfassen die Dekontamination mittels Dampfreinigung, Schleifreinigung, Sandstrahlen, Staubsaugen, Ultraschallreinigung usw.

Strahlung ist überall um uns herum . In, um und über der Welt, in der wir leben. Es ist eine natürliche Energiekraft, die uns umgibt. Es ist ein Teil unserer natürlichen Welt, der seit der Geburt unseres Planeten hier ist. Alle Lebewesen waren und sind von Anfang an  ionisierender Strahlung ausgesetzt . Ionisierende Strahlung wird durch  Kernreaktionen ,  Kernzerfall , sehr hohe Temperaturen oder durch Beschleunigung geladener Teilchen in elektromagnetischen Feldern erzeugt.

Strahlenexpositionen aus dem Kernbrennstoffkreislauf

Der Kernbrennstoffkreislauf ist eine Prozesskette, die aus einer Reihe unterschiedlicher Stufen besteht. Im Allgemeinen besteht der Kernbrennstoffkreislauf aus Schritten im vorderen Bereich (Aufbereitung des Brennstoffs), Schritten in der Betriebszeit (Abbrennen des Brennstoffs) und Schritten im hinteren Bereich (Wiederaufbereitung oder Entsorgung abgebrannter Brennelemente). Strahlenexpositionen aus dem Kernbrennstoffkreislauf werden laut UNSCEAR anhand des gesamten Lebenszyklus von Kernbrennstoffen bewertet. Dazu gehören:

• Uranabbau, Mahlen und Mühlenabfälle,
• Herstellung von Brennelementen
• Kraftwerksbetrieb (außer Unfälle),
• Lagerung oder Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente,
• Entsorgung radioaktiver Abfälle,
• Stilllegungsaktivitäten.

Die kollektive Dosis, die sich aus dem Kernbrennstoffkreislauf ergibt, beträgt:

• 130 Mann Sv für Kernbrennstoffkreislauf,

Fast die Hälfte des Beitrags zur öffentlichen Exposition aus dem Kernbrennstoffkreislauf stammt aus Einleitungen natürlicher Radionuklide während des Uranabbaus und der Mahlaktivitäten.

Die normalisierte kollektive Dosis (pro Gigawatt und Jahr) beträgt:

• 0,43 Mann Sv / GW.a (Mann Sievert pro Gigawattjahr) für den Kernbrennstoffkreislauf

Besondere Referenz: Quellen und Auswirkungen ionisierender Strahlung, UNSCEAR 2016 – Anhang B. New York, 2017. ISBN: 978-92-1-142316-7.

In den folgenden Punkten versuchen wir, Bereiche der Strahlenexposition aus der Stromerzeugung zusammen mit Dosen aus auszudrücken, die aus verschiedenen Quellen bezogen werden können.

• 05 µSv – Neben jemandem schlafen
• 09 µSv – Ein Jahr lang in einem Umkreis von 30 Meilen um ein Kernkraftwerk leben
• 1 µSv – Eine Banane essen
• 3 µSv – Ein Jahr lang in einem Umkreis von 80 km um ein Kohlekraftwerk leben
• 10 µSv – Durchschnittliche Tagesdosis aus natürlichem Hintergrund

Die oben genannten Dosen beziehen sich auf die Exposition der Öffentlichkeit. Wenn wir die berufliche Exposition in Bezug auf den Uranabbau, Kraftwerksarbeiter usw. berücksichtigen , ist die Gesamtdosis höher, insbesondere bei Uranbergarbeitern. Die Bergleute sind von Steinen umgeben und schwappen durch radonausströmendes Grundwasser.

Beachten Sie, dass die kollektive effektive Dosis häufig verwendet wird, um die gesamten gesundheitlichen Auswirkungen abzuschätzen. Laut ICRP sollte dies jedoch vermieden werden.

Die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Impulshöhe in einem Detektor ist sehr komplex. Die Impulshöhe und die Anzahl der gesammelten Ionenpaare stehen in direktem Zusammenhang. Wie geschrieben wurde, können die Spannungen in Abhängigkeit von der Detektorgeometrie und dem Gastyp und -druck stark variieren. Die Abbildung zeigt schematisch die verschiedenen Spannungsbereiche für Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Es gibt sechs praktische Hauptbetriebsbereiche, in denen drei (Ionisations-, Proportional- und Geiger-Müller-Bereich) zur Detektion ionisierender Strahlung nützlich sind. Diese Anforderungen sind unten aufgeführt. Die Alpha-Kurve ist aufgrund der größeren Anzahl von Ionenpaaren, die durch die anfängliche Reaktion der einfallenden Strahlung erzeugt werden, höher als die Beta- und Gammakurve vom Rekombinationsbereich zum Teil des Bereichs mit begrenzter Proportionalität.

Proportionalbereich

Im proportionalen Bereich nimmt die gesammelte Ladung mit einem weiteren Anstieg der Detektorspannung zu, während die Anzahl der primären Ionenpaare unverändert bleibt. Durch Erhöhen der Spannung werden die Primärelektronen mit ausreichender Beschleunigung und Energie versorgt, damit sie zusätzliche Atome des Mediums ionisieren können. Diese gebildeten Sekundärionen werden ebenfalls beschleunigt, was einen als Townsend-Lawinen bekannten Effekt verursacht , der einen einzelnen großen elektrischen Impuls erzeugt. Obwohl es für jedes Primärereignis eine große Anzahl von Sekundärionen gibt (etwa 10 ³ – 10 ⁵ ), wird die Kammer immer so betrieben, dass die Anzahl der Sekundärionen proportional istauf die Anzahl der primären Ereignisse. Dies ist sehr wichtig, da die primäre Ionisation von der Art und Energie der Partikel oder Strahlen im abgefangenen Strahlungsfeld abhängt. Die Anzahl der gesammelten Ionenpaare geteilt durch die Anzahl der durch die Primärionisation erzeugten Ionenpaare liefert den Gasverstärkungsfaktor (bezeichnet mit A). Die in diesem Bereich auftretende Gasverstärkung kann die Gesamtionisationsmenge auf einen messbaren Wert erhöhen. Der Prozess der Ladungsverstärkung verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors erheblich und reduziert die nachfolgende erforderliche elektronische Verstärkung. Wenn Instrumente im Proportionalbereich betrieben werden, muss die Spannung konstant gehalten werden.Bleibt eine Spannung konstant, ändert sich auch der Gasverstärkungsfaktor nicht. Proportionalzählererkennungsinstrumente sind sehr empfindlich gegenüber geringen Strahlungswerten. Darüber hinaus können Proportionalzähler Partikel identifizieren und Energie messen (Spektroskopie). Durch Analyse der Impulshöhe können unterschiedliche Strahlungsenergien und unterschiedliche Strahlungstypen unterschieden werden, da sie sich in der Primärionisation signifikant unterscheiden.

Die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Impulshöhe in einem Detektor ist sehr komplex. Die Impulshöhe und die Anzahl der gesammelten Ionenpaare stehen in direktem Zusammenhang. Wie geschrieben wurde, können die Spannungen in Abhängigkeit von der Detektorgeometrie und dem Gastyp und -druck stark variieren. Die Abbildung zeigt schematisch die verschiedenen Spannungsbereiche für Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Es gibt sechs praktische Hauptbetriebsbereiche, in denen drei (Ionisationsbereich, Proportional- und Geiger-Müller-Bereich) zur Detektion ionisierender Strahlung nützlich sind. Diese Anforderungen sind unten aufgeführt. Die Alpha-Kurve ist aufgrund der größeren Anzahl von Ionenpaaren, die durch die anfängliche Reaktion der einfallenden Strahlung erzeugt werden, höher als die Beta- und Gammakurve vom Rekombinationsbereich zum Teil des Bereichs mit begrenzter Proportionalität.

Ionisationsregion

Im Ionisationsbereich bewirkt ein Spannungsanstieg keinen wesentlichen Anstieg der Anzahl der gesammelten Ionenpaare. Die Anzahl der von den Elektroden gesammelten Ionenpaare entspricht der Anzahl der durch die einfallende Strahlung erzeugten Ionenpaare und hängt von der Art und Energie der Partikel oder Strahlen in der einfallenden Strahlung ab. Daher ist die Kurve in diesem Bereich flach. Die Spannung muss höher sein als der Punkt, an dem dissoziierte Ionenpaare rekombinieren können. Andererseits ist die Spannung nicht hoch genug, um eine Gasverstärkung (Sekundärionisation) zu erzeugen. Detektoren im Ionisationsbereich arbeiten mit einer geringen elektrischen Feldstärke, die so ausgewählt ist, dass keine Gasvermehrung stattfindet. Ihr Strom ist unabhängig von der angelegten Spannung und sie sind esbevorzugt für hohe Strahlungsdosisraten, da sie keine „Totzeit“ haben, ein Phänomen, das die Genauigkeit der Geiger-Müller-Röhre bei hohen Dosisraten beeinflusst.

Die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Impulshöhe in einem Detektor ist sehr komplex. Die Impulshöhe und die Anzahl der gesammelten Ionenpaare stehen in direktem Zusammenhang. Wie geschrieben wurde, können die Spannungen in Abhängigkeit von der Detektorgeometrie und dem Gastyp und -druck stark variieren. Die Abbildung zeigt schematisch die verschiedenen Spannungsbereiche für Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Es gibt sechs praktische Hauptbetriebsbereiche, in denen drei (Ionisations-, Proportional- und Geiger-Müller-Bereich) zur Detektion ionisierender Strahlung nützlich sind. Diese Anforderungen sind unten aufgeführt. Die Alpha-Kurve ist aufgrund der größeren Anzahl von Ionenpaaren, die durch die anfängliche Reaktion der einfallenden Strahlung erzeugt werden, höher als die Beta- und Gammakurve vom Rekombinationsbereich zum Teil des Bereichs mit begrenzter Proportionalität.

Rekombinationsregion

Bei niedriger Spannung ist das elektrische Feld nicht groß genug, um Elektronen und Ionen zu beschleunigen. Die Elektronen und Ionen können sich kurz nach ihrer Erzeugung rekombinieren, und nur ein kleiner Teil der erzeugten Elektronen und Ionen erreicht ihre jeweiligen Elektroden. Mit zunehmender Detektorspannung erreicht jedoch ein immer größerer Teil der erzeugten Ionen die Elektroden. Dieser Anstieg setzt sich fort, bis die Sättigungsspannung erreicht ist. Der Bereich der Betriebsspannung, in dem dies auftritt, wird als Rekombinationsbereich bezeichnet . Detektoren werden in diesem Bereich nicht betrieben, da weder die Anzahl der Rekombinationen noch die Anzahl der anfänglich erzeugten Ionenpaare genau bestimmt werden können.

Die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Impulshöhe in einem Detektor ist sehr komplex. Die Impulshöhe und die Anzahl der gesammelten Ionenpaare stehen in direktem Zusammenhang. Die Townsend-Lawine oder die Townsend-Entladung beeinflussen die Anzahl der in gasförmigen Ionisationsdetektoren gesammelten Ionenpaare erheblich. Die Townsend-Lawine ist ein Gasionisationsprozess, bei dem freie Elektronen durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden, mit Gasmolekülen kollidieren und folglich freie Sekundärelektronen. Das Ergebnis ist eine Lawinenvervielfachung, die eine elektrische Leitung durch das Gas ermöglicht.

Townsend Avalanche – Proportionalregion

Im proportionalen Bereich nimmt die gesammelte Ladung mit einem weiteren Anstieg der Detektorspannung zu, während die Anzahl der primären Ionenpaare unverändert bleibt. Durch Erhöhen der Spannung werden die Primärelektronen mit ausreichender Beschleunigung und Energie versorgt, damit sie zusätzliche Atome des Mediums ionisieren können. Diese gebildeten Sekundärionen werden ebenfalls beschleunigt, was einen als Townsend-Lawinen bekannten Effekt verursacht , der einen einzelnen großen elektrischen Impuls erzeugt. Obwohl es für jedes Primärereignis eine große Anzahl von Sekundärionen gibt (etwa 10 ³ – 10 ⁵ ), wird die Kammer immer so betrieben, dass die Anzahl der Sekundärionen proportional istauf die Anzahl der primären Ereignisse. Dies ist sehr wichtig, da die primäre Ionisation von der Art und Energie der Partikel oder Strahlen im abgefangenen Strahlungsfeld abhängt. Die Anzahl der gesammelten Ionenpaare geteilt durch die Anzahl der durch die Primärionisation erzeugten Ionenpaare liefert den Gasverstärkungsfaktor (bezeichnet mit A). Die in diesem Bereich auftretende Gasverstärkung kann die Gesamtionisationsmenge auf einen messbaren Wert erhöhen. Der Prozess der Ladungsverstärkung verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors erheblich und reduziert die nachfolgende erforderliche elektronische Verstärkung. Wenn Instrumente im Proportionalbereich betrieben werden, muss die Spannung konstant gehalten werden.Bleibt eine Spannung konstant, ändert sich auch der Gasverstärkungsfaktor nicht. Proportionalzählererkennungsinstrumente sind sehr empfindlich gegenüber geringen Strahlungswerten. Darüber hinaus können Proportionalzähler Partikel identifizieren und Energie messen (Spektroskopie). Durch Analyse der Impulshöhe können unterschiedliche Strahlungsenergien und unterschiedliche Strahlungstypen unterschieden werden, da sie sich in der Primärionisation signifikant unterscheiden.

Townsend Avalanche – Geiger-Müller-Region

In diesem Bereich ist die Spannung hoch genug, um die Primärelektronen mit ausreichender Beschleunigung und Energie zu versorgen, damit sie zusätzliche Atome des Mediums ionisieren können. Diese gebildeten Sekundärionen (Gasverstärkung) werden ebenfalls beschleunigt, was einen als Townsend-Lawinen bekannten Effekt verursacht. Diese Lawinen können durch Photonen ausgelöst und verbreitet werden, die von Atomen emittiert werden, die in der ursprünglichen Lawine angeregt wurden. Da diese Photonen nicht vom elektrischen Feld beeinflusst werden, können sie weit (z. B. seitlich zur Achse) von der Primärlawine interagieren, wobei die gesamte Geigerröhre an dem Prozess beteiligt ist. Ein starkes Signal ( der Verstärkungsfaktor kann etwa 10 ^{10 erreichen}) wird durch diese Lawinen mit Form und Höhe unabhängig von der Primärionisation und der Energie des detektierten Photons erzeugt. Der Spannungsimpuls wäre in diesem Fall groß und leicht erkennbar ≈ 1,6 V.

Die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Impulshöhe in einem Detektor ist sehr komplex. Die Impulshöhe und die Anzahl der gesammelten Ionenpaare stehen in direktem Zusammenhang. Wie geschrieben wurde, können die Spannungen in Abhängigkeit von der Detektorgeometrie und dem Gastyp und -druck stark variieren. Die Abbildung zeigt schematisch die verschiedenen Spannungsbereiche für Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Es gibt sechs praktische Hauptbetriebsbereiche, in denen drei (Ionisations-, Proportional- und Geiger-Müller-Bereich) zur Detektion ionisierender Strahlung nützlich sind. Diese Anforderungen sind unten aufgeführt. Die Alpha-Kurve ist aufgrund der größeren Anzahl von Ionenpaaren, die durch die anfängliche Reaktion der einfallenden Strahlung erzeugt werden, höher als die Beta- und Gammakurve vom Rekombinationsbereich zum Teil des Bereichs mit begrenzter Proportionalität.

• Rekombinationsregion. Bei niedriger Spannung ist das elektrische Feld nicht groß genug, um Elektronen und Ionen zu beschleunigen. Die Elektronen und Ionen können sich kurz nach ihrer Erzeugung rekombinieren, und nur ein kleiner Teil der erzeugten Elektronen und Ionen erreicht ihre jeweiligen Elektroden. Mit zunehmender Detektorspannung erreicht jedoch ein immer größerer Teil der erzeugten Ionen die Elektroden. Dieser Anstieg setzt sich fort, bis die Sättigungsspannung erreicht ist. Der Bereich der Betriebsspannung, in dem dies auftritt, wird als Rekombinationsbereich bezeichnet . Detektoren werden in diesem Bereich nicht betrieben, da weder die Anzahl der Rekombinationen noch die Anzahl der anfänglich erzeugten Ionenpaare genau bestimmt werden können.
• Ionisationsregion . Im Ionisationsbereich bewirkt ein Spannungsanstieg keinen wesentlichen Anstieg der Anzahl der gesammelten Ionenpaare. Die Anzahl der von den Elektroden gesammelten Ionenpaare entspricht der Anzahl der durch die einfallende Strahlung erzeugten Ionenpaare und hängt von der Art und Energie der Partikel oder Strahlen in der einfallenden Strahlung ab. Daher ist die Kurve in diesem Bereich flach. Die Spannung muss höher sein als der Punkt, an dem dissoziierte Ionenpaare rekombinieren können. Andererseits ist die Spannung nicht hoch genug, um eine Gasverstärkung (Sekundärionisation) zu erzeugen. Detektoren im Ionisationsbereich arbeiten mit einer geringen elektrischen Feldstärke, die so ausgewählt ist, dass keine Gasvermehrung stattfindet. Ihr Strom ist unabhängig von der angelegten Spannung und sie sind esbevorzugt für hohe Strahlungsdosisraten, da sie keine „Totzeit“ haben, ein Phänomen, das die Genauigkeit der Geiger-Müller-Röhre bei hohen Dosisraten beeinflusst.

• 

  Proportionalbereich . Im proportionalen Bereich nimmt die gesammelte Ladung mit einem weiteren Anstieg der Detektorspannung zu, während die Anzahl der primären Ionenpaare unverändert bleibt. Durch Erhöhen der Spannung werden die Primärelektronen mit ausreichender Beschleunigung und Energie versorgt, damit sie zusätzliche Atome des Mediums ionisieren können. Diese gebildeten Sekundärionen werden ebenfalls beschleunigt, was einen als Townsend-Lawinen bekannten Effekt verursacht , der einen einzelnen großen elektrischen Impuls erzeugt. Obwohl es für jedes Primärereignis eine große Anzahl von Sekundärionen gibt (etwa 10 ³ – 10 ⁵ ), wird die Kammer immer so betrieben, dass die Anzahl der Sekundärionen proportional istauf die Anzahl der primären Ereignisse. Dies ist sehr wichtig, da die primäre Ionisation von der Art und Energie der Partikel oder Strahlen im abgefangenen Strahlungsfeld abhängt. Die Anzahl der gesammelten Ionenpaare geteilt durch die Anzahl der durch die Primärionisation erzeugten Ionenpaare liefert den Gasverstärkungsfaktor (bezeichnet mit A). Die in diesem Bereich auftretende Gasverstärkung kann die Gesamtionisationsmenge auf einen messbaren Wert erhöhen. Der Prozess der Ladungsverstärkung verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors erheblich und reduziert die nachfolgende erforderliche elektronische Verstärkung. Wenn Instrumente im Proportionalbereich betrieben werden, muss die Spannung konstant gehalten werden.Bleibt eine Spannung konstant, ändert sich auch der Gasverstärkungsfaktor nicht. Proportionalzählererkennungsinstrumente sind sehr empfindlich gegenüber geringen Strahlungswerten. Darüber hinaus können Proportionalzähler Partikel identifizieren und Energie messen (Spektroskopie). Durch Analyse der Impulshöhe können unterschiedliche Strahlungsenergien und unterschiedliche Strahlungstypen unterschieden werden, da sie sich in der Primärionisation signifikant unterscheiden.

• Begrenzte proportionale Region . Im begrenzten Proportionalbereich steigt der Gasverstärkungsfaktor nicht proportional zur Spannung weiter an. Zusätzliche Ionisationen und nichtlineare Effekte führen dazu, dass bei einer gegebenen angelegten Spannung keine Proportionalität des Ausgangssignals zur abgeschiedenen Energie vorliegt. Das elektrische Feld in der Kammer ist aufgrund der hohen positiven Ionenkonzentration verzerrt. Freie Elektronen sind viel leichter als die positiven Ionen, daher werden sie viel schneller zur positiven Zentralelektrode gezogen als die positiven Ionen zur Kammerwand. Die resultierende Wolke positiver Ionen in der Nähe der Elektrode führt zu Verzerrungen bei der Gasvermehrung. Dieser Bereich wird normalerweise als Erfassungsbereich vermieden.

• 

  Geiger-Müller-Region . In der Region Geiger-Müller ist die Spannung und damit das elektrische Feld so stark, dass Sekundärlawinen auftreten können. Diese Lawinen können durch Photonen ausgelöst und verbreitet werden, die von Atomen emittiert werden, die in der ursprünglichen Lawine angeregt wurden. Da diese Photonen nicht vom elektrischen Feld beeinflusst werden, können sie weit (z. B. seitlich zur Achse) von der Primärlawine interagieren, wobei die gesamte Geigerröhre an dem Prozess beteiligt ist. Ein starkes Signal (der Verstärkungsfaktor kann etwa 10 ^{10 erreichen}) wird durch diese Lawinen mit Form und Höhe unabhängig von der Primärionisation und der Energie des detektierten Photons erzeugt. Detektoren, die in der Region Geiger-Müller betrieben werden, können Gammastrahlen und auch alle Arten geladener Teilchen erfassen, die in den Detektor gelangen können. Diese Detektoren sind als Geigerzähler bekannt . Der Hauptvorteil dieser Instrumente besteht darin, dass sie normalerweise keine Signalverstärker benötigen. Da sich die positiven Ionen nicht weit vom Lawinenbereich entfernen, stört eine positiv geladene Ionenwolke das elektrische Feld und beendet den Lawinenprozess. In der Praxis wird die Beendigung der Lawine durch die Verwendung von „ Quenching “ verbessertTechniken. Im Gegensatz zu Proportionalzählern kann die Energie oder sogar einfallende Strahlungsteilchen von Geigerzählern nicht unterschieden werden, da das Ausgangssignal unabhängig von der Menge und Art der ursprünglichen Ionisation ist.

• Entladungsregion . Schließlich erzeugt das elektrische Feld bei noch höheren Spannungen (oberhalb der Geiger-Müller-Region) eine kontinuierliche Entladung des Mediums, wobei die Kammer nicht mehr empfindlich gegenüber einfallender Ionisation ist. Dieser Bereich wird nicht zum Nachweis oder zur Messung ionisierender Strahlung verwendet. Wenn die Geiger-Röhrenspannung über das Ende des Plateaus erhöht wird, beginnt die Zählrate wieder schnell anzusteigen, bis eine kontinuierliche Entladung einsetzt, bei der die Röhre keine Strahlung erfassen kann und beschädigt werden kann.

Arten von Detektoren ionisierender Strahlung

Infolgedessen gibt es drei Grundtypen von Gasionisationsdetektoren , die nach der an den Detektor angelegten Spannung kategorisiert werden:

• Ionisationskammern,
• Proportionalzähler,
• Geiger-Müller-Röhren.

Wie bei anderen Detektoren können Ionisationskammern im Strom- oder Impulsmodus betrieben werden. Im Gegensatz dazu werden Proportional- oder Geigerzähler fast immer im Pulsmodus verwendet. Detektoren ionisierender Strahlung können sowohl zur Aktivitätsmessung als auch zur Dosismessung eingesetzt werden. Mit dem Wissen über die Energie, die zur Bildung eines Ionenpaars benötigt wird, kann die Dosis erhalten werden.

Prinzipien von Detektoren

In ihren Grundprinzipien  folgen die meisten  Detektoren ionisierender Strahlung ähnlichen Eigenschaften. Detektoren ionisierender Strahlung bestehen aus  zwei Teilen  , die normalerweise miteinander verbunden sind. Der erste Teil besteht aus einem  empfindlichen Material , das aus einer Verbindung besteht, die sich bei Bestrahlung verändert. Die andere Komponente ist ein Gerät, das diese Änderungen in messbare  Signale umwandelt. Alle Detektoren erfordern, dass Strahlung einen Teil ihrer Energie in empfindlichem Material ablagern muss, das Teil des Instruments ist. Die Strahlung tritt in den Detektor ein, interagiert mit Atomen des Detektormaterials und lagert etwas Energie an empfindliches Material ab. Jedes Ereignis kann ein Signal erzeugen, das ein Impuls, ein Loch, ein Lichtsignal, Ionenpaare in einem Gas und viele andere sein kann. Die Hauptaufgabe besteht darin, ausreichend Signal zu erzeugen, zu verstärken und aufzuzeichnen.

Beschreibung der gasförmigen Ionisationsdetektoren

Die Kammerhat eine Kathode und eine Anode, die auf einer großen relativen Spannung gehalten werden, und die Vorrichtung ist durch eine Kapazität gekennzeichnet, die durch die Geometrie der Elektroden bestimmt wird. Wenn ionisierende Strahlung zwischen den Elektroden in das Gas eintritt, wird eine endliche Anzahl von Ionenpaaren gebildet. Das Verhalten der resultierenden Ionenpaare wird durch den Potentialgradienten des elektrischen Feldes innerhalb des Gases und die Art und den Druck des Füllgases beeinflusst. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes bewegen sich die positiven Ionen zur negativ geladenen Elektrode (äußerer Zylinder) und die negativen Ionen (Elektronen) zur positiven Elektrode (zentraler Draht). Das elektrische Feld in diesem Bereich verhindert, dass sich die Ionen mit den Elektronen rekombinieren. Die Sammlung dieser Ionen erzeugt eine Ladung an den Elektroden und einen elektrischen Impuls über die Erfassungsschaltung. In Luft beträgt die durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Ions benötigt wird, ungefähr 34 eV, daher erzeugt eine vollständig im Detektor absorbierte 1 MeV-Strahlung ungefähr 3 × 10⁴ Ionenpaar. Da es sich jedoch um ein kleines Signal handelt, kann dieses Signal mit Standardelektronik erheblich verstärkt werden.

Arten von Detektoren ionisierender Strahlung

Infolgedessen gibt es drei Grundtypen von Gasionisationsdetektoren , die nach der an den Detektor angelegten Spannung kategorisiert werden:

• Ionisationskammern,
• Proportionalzähler,
• Geiger-Müller-Röhren.

Wie bei anderen Detektoren können Ionisationskammern im Strom- oder Impulsmodus betrieben werden. Im Gegensatz dazu werden Proportional- oder Geigerzähler fast immer im Pulsmodus verwendet. Detektoren ionisierender Strahlung können sowohl zur Aktivitätsmessung als auch zur Dosismessung eingesetzt werden. Mit dem Wissen über die Energie, die zur Bildung eines Ionenpaars benötigt wird, kann die Dosis erhalten werden.