Beta- & Neutronenstrahlenexpositionen Strahlenschutzkurs 2014

Prof. Dr. Sabine Prys @designed by ps

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Literatur Übungsfragen

1

3.2 Strahlung–Materie Wechselwirkung „Ionisationsbremsung“ Zwischen Strahlung und Materie bestehen Wechselwirkungen

Strahlung erfährt

Absorption Schwächung Streuung Stossprozesse

Materie erfährt

Anregung Ionisation Kernreaktionen

Die Wechselwirkung ist abhängig von Strahlenart und -energie

3.2.1 Ionisierende Strahlung

Strahlung aus dem Zerfall von Radionukliden Strahlung, die Materie ionisiert direkt ionisierende Strahlung geladene Teilchen indirekt ionisierende Strahlung ungeladene Teilchen (Photonen, Neutronen)

2

3.2.2 Ionisationsvermögen

Teilchen n P  

Neutronen Protonen He2+ -Teilchen Elektronen, Positronen

Elektromagnetische Wellen /X Gamma, Röntgen

indirekt ionisierend

direkt ionisierend

indirekt ionisierend

3.2.3 Ionisationsdichte von  - Strahlung

Alpha-Strahlung • Dichte Ionisation • Kernreaktionen bei sehr hohen Energien Beta-Strahlung

• Weniger dichte Ionisation • Röntgenstrahlen bei sehr hohen Energien • Streuung an Atomen mit großem Z Gamma-Strahlung • Lockere Ionisation • Ionisation nur durch „vorgeschaltete“ Effekte

3

3.2.4 Linear Energy Transfer (LET) Anzahl der gebildeten Ionenpaare pro mm Wegstrecke Spezifischen Ionisation oder LET eines Strahlungsteilchens:

LET 

dE 1 ~ dx v 2

E = übertragene Energie x = Wegstrecke v = Geschwindigkeit des Strahlungsteilchens

Beispiel: Gammastrahlung (Co-60) 250 kV Röntgenstrahlen

10 kV Röntgenstrahlen

Alphastrahlung

3.2.4.1 Kerma & Energiedosis kinetic energy released in matter  - Strahlen  zu berücksichtigende Ionen  nicht zu berücksichtigende Ionen

Kerma [Gy]:  Hx

Energiedosis [Gy]:  H*

Übertragene Energien die im Volumenelement V ihren Anfangswert haben werden berücksichtigt

Die auf das Volumenelement V übertragenen Energien werden berücksichtigt.

4

3.2.4.2 Spezifische Ionisation Beispiele

im Medium Wasser Strahlenart e-, -, Photonen , p, n (je nach Energie)

LET Bewertungsfaktor [keV/µm] q < 3,5

1

3,5 – 7,0

1-2

7,0 – 23

2-5

23 – 53

1. – 10

> 53

10 – 20

Quelle: H. Krieger; Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes

3.2.5 Strahlungsschwächung I für direkt ionisierende Strahlung

Ionisationsvorgänge lösen alle geladenen Teilchen höherer Energie in gasförmiger, flüssiger oder fester Umgebung aus, wobei sie ihre Energie portionsweise verlieren. Ionisationsdichte, Ionisierungsvermögen Anzahl der gebildeten Ionenpaare im Medium: Luft  Messgröße: Ionendosis Linear Energy Transfer (LET) Lineares Energieübertragungsvermögen im durchstrahlten Medium pro Wegstrecke

5

3.2.6 Strahlungsschwächung II für direkt ionisierende Strahlung

Kinetic Energy Released in Matter (kerma) Energieübertrag vom Teilchenstrahl auf Absorbersekundärteilchen Energieabsorption im Absorber  biologische Strahlenwirkung  Messgröße: Energiedosis Wirkung eines Absorbers auf einen Teilchenstrahl Bremsvermögen (Stoßbremsvermögen, Strahlungsbremsvermögen) Streuvermögen Absorbierungsvermögen eines Absorbers in einen Teilchenstrahl Bremsvermögen, Streuvermögen  Messgröße: Massenschwächungskoeffizient

3.2.6.1 Čzerenkov - Strahlung

Čerenkov-Strahlung tritt immer dann auf, wenn geladene Teilchen sich im Medium schneller ausbreiten können als Lichtteilchen (Photonen) in diesem Medium.

6

3.2.7 Strahlungsschwächung III für indirekt ionisierende Strahlung

Photo-, COMPTON- und Paarbildungseffekte lösen Photonen höherer Energie in umgebender Materie je nach Ordnungszahl aus, wobei sie ihre Energie portionsweise verlieren. Kernreaktionen lösen Neutronen mit entsprechender Energie in entsprechenden Materialien aus, wobei sie in geladene Teilchen umgewandelt werden.

3.4 Strahlendosis

• • • •

Ionendosis Energiedosis Ortsdosis Personendosis

• Dosisleistung • Abstandsgesetz

7

3.4.1 Strahlendosis: Ionendosis

Ionendosis I = absorbierte Energie in Luft

Definition: Energiemenge, die durch die Strahlung auf eine Masseneinheit 1J übertragen 1 Gray  wird

kg

Symbol: Gy Alte Einheit: rad (1 Gy = 100 rad)

3.4.2 Strahlendosis: Energiedosis

Energiedosis D = absorbierte Energie in Materie

Definition: Energiemenge, die durch die Strahlung auf eine Masseneinheit 1J übertragen 1 Gray  wird

kg

Symbol: Gy Alte Einheit: rad (1 Gy = 100 rad)

8

3.4.3 Strahlendosis: Personendosis

Äquivalentdosis H = Zellschädigungsrisiko durch absorbierte Energie im Gewebe

H  D Q Definition: Sievert Energiemenge, die auf einen Menschen übertragen wird, abhängig von der Strahlenart Symbol: Sv Alte Einheit: rem (1 Sv=100 rem) H = Personendosis D = Energiedosis Q = Qualitätsfaktoren für Strahlungs- und Gewebeart

4.3 Beta-Zerfall







137 55

Cs 

137 56

Ba 

0 1



e

9

4.3.1 -Zerfallsgleichung

M Z

X

M Z 1

Y

0 1

M Z

X

M Z 1

Y

0 1

e 

e 

Äußere Bestrahlung von untergeordneter Bedeutung Abschirmung durch Plexiglas, Aluminium

4.3.2 -Strahlung

• •

Teilchenart Radionuklide

• • • •

Energie Reichweite Energieabgabe Wechselwirkungen

•

Gefahren

•

Schutz

Negatronen, Positronen H - 3, C - 14, Sr - 90, Cs - 137 Tl - 204, Co - 60 keV ... MeV bei 1 MeV ca. 4 m (Luft) kontinuierlich schwächere Wechselwirkung, 4-8 Ionenpaare pro mm Luft (kev – MeV) Ionisation, Anregung, (MeV – GeV) Rückstreuung, Bremsstrahlung, Streustrahlung, Hautexposition, Schleimhäute, Inkorporation Abschirmung mit Al, PMMA

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4.3.3 -Zerfallsschema

http://atom.kaeri.re.kr/cgi-bin/decay?Cs-137%20B-

4.3.4 -Spektren Betateilchen besitzen ein Energiespektrum beim Betazerfall entstehen Neutrinos () Zerfallsenergie verteilt sich auf Betateilchen und Neutrinos

E Relative Häufigkeit 20 40 60 80 100

Häufigste Energie

1 E  Emax 3

Maximale Energie

Emax 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Energie [MeV]

11

4.3.5  - Dosisleistung für -Strahlen gilt bei Punktquellen ein modifiziertes Abstandsgesetz: 

H   H (r ,  , E max )  H H A  r Emax

= = = = = =

A r2

 - Dosisleistungskonstante (tabelliert)  - Dosisleistungsfunktion (tabelliert) Aktivität des Strahlers Dichte des umgebenden Mediums Abstand vom Strahler maximale Beta-Energie

Quelle: H. Krieger – Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes

4.3.5.1 Y-90 - Dosisleistungsfunktion in Luft

Betadosisleistungsfunktion

[mSv*m2/GBq*h]

für Y-90 in Luft 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5,5 0

50

100

150

200

250

300

350

r [cm]

Quelle: H. Krieger – Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes

12

4.3.5.2 Fit für Y-90 Dosisleistungskonstante in Luft Fitting Interface For NIST Hahn 2D:

y

a  b  x  c  x 2  d  x3 1  f  x  g  x 2  h  x3

a = 8.9832993866831981E+00 b = -2.6518831350761529E-01 c = 2.2887656037887229E-03 d = -3.7021929872605583E-06 f = -2.8688716986352482E-02 g = 2.3353289340732712E-04 h = -2.7724545361995389E-07 R-squared: 0.99586831458 Quelle: www.zunzun.com

4.3.11 Messung von  - Strahlung

Messverfahren: • Gasionisationsdetektoren mit dünnen Fenster • Flüssigszintillationsdetektoren • Filmdosimeter • PIN-Diodendetektoren Probleme: • Streustrahlung • Bremsstrahlung

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4.3.6 Empirische -Reichweite I

R [g/cm2 ]  0,526* Emax [MeV]– 0,095 Zahlenwertgleichung, keine physikalische Gleichung !

R E max 

= Reichweite der  – Strahlung [g/cm2] = maximale  – Energie [MeV] = Dichte des Mediums [g/cm3]

Quelle: Grundkurs Strahlenschutz von Claus Grupen

4.3.7 Wechselwirkungen von  – Strahlung mit Materie • MeV - GeV-Bereich: – Wechselwirkungen mit Atomkernen  Kernreaktionen – Erzeugung von Röntgen(brems)strahlung • keV – MeV Bereich: – Ionisierung der umgebenden Materie – Inelastische Streuung mit Hüllenelektronen – Elastische Streuung an Atomen mit großem Z • Elastische Streuung an der Atomhülle (Rückstreuung) • Elastische Streuung an Atomkernen (COULOMB-Streuung) • Cerenkov-Strahlung

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4.3.8 Schwächung von  – Strahlung in umgebender Materie: Ionisation, Anregung, Streuung, Bremsstrahlung in Luft: Ionenpaare pro cm () = 10-2 – 10-3 • Ionenpaare pro cm ()

Reichweite () in Luft: cm  -Strahlung: dicht ionisierend Reichweite () in Luft: cm – m  -Strahlung locker ionisierend

4.3.9 - Schwächungsgesetz Annahme: monoenergetische Betastrahlung schwächt sich exponentiell ab entsprechend:

I  I 0  e  µd

Absorptionskurve für Sr-90 Strahlung, 2,3 MeV in Al

15

4.3.10 Absorption von -Strahlung Flächendichte r = d .  Empirische Formel (wenn x > 0,3 g/cm2)

Emax  1.85  x  0.25

Emax r d r x

maximale Beta-Energie [MeV] Flächendichte [g/cm2] Absorberdicke [cm] Absorberdichte maximale Reichweite im Absorber

Massenabsorptionskoeffizient µ Empirische Formel (wenn E in MeV, und 0,1 MeV ≤ E ≤ 3,5 MeV, µ [cm2/g])



15 1.5 E max Claus Grupen, Grundkurs Strahlenschutz, Vieweg Verlag

4.3.10.1 -Absorptionskurven in verschiedenen Materialien

Sr-90

16

4.3.12 Bremsstrahlung Photonenstrahlung durch Abbremsprozesse

4.3.13 Röntenspektrum Wolfram Anode

17

4.6.1 Neutronen

• • • • •

Begriffe und Einheiten Neutronenquellen Neutroneneigenschaften Messungen Rechnungen

4.6.1.1 Begriffe und Einheiten

• Neutronenquellstärke

S

[n/s]

• Neutronenfluenz

F

[n/cm2]

• Neutronenfluss



[n/s.cm2]

• Neutronenenergie

E

[MeV]

• Dosiskonversionsfaktoren

??

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4.6.1.2 Entstehung freier Neutronen • Entstehung bei Ra-Be-Quellen: 9 4

 

Be 

4 2

12 6

C



1 0

n

• Entstehung bei Fusionsreaktionen

2 1

D 

3 1

T



He 

4 2

1 0

n

 17,58 MeV

4.6.1.4 Neutronenstrahlen

• • • • • • • •

Teilchenart Radionuklide Energie Reichweite Energieabgabe Wechselwirkungen Gefahren Schutz

Neutronen spaltbare Nuklide eV ... MeV energieabhängig durch Moderation Moderation, Konversion Ganzkörperexposition Abschirmung mit B, Gd, Pb

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4.6.1.5 thermische und schnelle Neutronen Grobeinteilung der Energiegruppen

Freie Neutronen

½

= ca. 11,5 min Zerfall: 

thermische Neutronen thermisches Gleichgewicht mit umgebendem Medium Energie ca. 2,5 10-2 eV Geschwindigkeit ca. 2,2.103 m/s schnelle Neutronen Energie > 0,1 MeV bis ca. 2 MeV, Geschwindigkeit bis ca. 2.107 m/s

4.6.1.6 Energiegruppen von Neutronen Feineinteilung der Energiegruppen

Neutronen

Energiebereich

Geschwindigkeit [km / s]

Subthermisch

< 0,02 eV

< 2,2

Thermisch

0,0252 eV

2,2

Epithermisch

< 0,5 eV

< 9,8

0,5 ev – 10 keV

9,8 - 1400

Schnell

> 10 keV

> 1400

Relativistisch

> 5 MeV

Intermediär

H. Krieger; Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes; Teubner Verlag, 3. Überarb. Aufl. 2009; , S 231

20

Neutronenflussdichte in n/cm2.s n/cm^2

4.6.1.9 Neutronenspektrum des Reaktors SUR-100 (lin/log) 2,50E+07

Thermische Neutronen 2,00E+07

1,50E+07

Schnelle Neutronen 1,00E+07

5,00E+06

0,00E+00 1,00E-09

1,00E-08

1,00E-07

1,00E-06

1,00E-05

1,00E-04

1,00E-03

1,00E-02

1,00E-01

1,00E+00

1,00E+01

Energie in MeV

Neutronenenergie in MeV Reaktor SUR-100, Neutronenspektrum im Kern 19,9% U-235: U-235: 683 g, U-238: 2734 g Moderator: HD-PE Quelle: Diplomarbeit Eidam

4.6.1.11 Neutronenwechselwirkungen Wechselwirkungen zwischen Neutronenstrahlen und ihrer Umgebung : • Streuung – Elastische Streuung – Inelastische Streuung

scattering (10 keV - 1 MeV) scat, el ( Neutronenmoderation) scat, inel (1 MeV - 10 MeV)

• Absorption – Einfang ohne Spaltung ( Neutronenaktivierung) – Spaltung, binär ( Kettenreaktion)

absorption capture fission

21

4.6.1.12 Wirkungsquerschnitte I Der Wirkungsquerschnitt  ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer (nuklearen) Reaktion Scheinbare Angriffsfläche eines Zielkerns für ein ankommendes Teilchen Dimension: Flächeneinheiten

1 barn  1024 cm2

4.6.1.13 Wirkungsquerschnitte II  n.

Scheinbare Angriffsfläche eines Zielkerns für ein ankommendes Teilchen kernartabhängig energieabhängig, temperaturabhängig reaktionsabhängig

22

4.6.1.14 Spaltbare Materialien  - Strahler: Isotop

½

Häufigkeit

U-234 U-235 U-238 Pu-239 Pu-240 Pu-241 Pu-242 Pu-243

2,446 . 105 a 7,038 . 108 a 4,468 . 109 a 2,411 . 104 a 6,55 . 103 a 14,4 a 3,763 . 105 a 4,956 h

0,005 % 0,720 % 99,275 %

ther [barn] 582 < 0,0005 743 0,03 1009 < 0,2 196

4.6.1.15 Spaltquerschnitte für Uran-235

thermische Neutronen: E = 2.5 . 10-2 eV spalt ~ 1000 b -1 E~ 10 eV spalt ~ 250 b schnelle Neutronen: spalt ~ E> 106 eV

1- 2 b

U-235 thermische Spaltung

23

4.6.1.16 Spaltquerschnitte für Uran-238

thermische Neutronen: E = 2.5 . 10-2 eV spalt ~ schnelle Neutronen: E~ 2-3 . 106 eV

0,0005 b

spalt ~

0,5 b

U-238 schnelle Spaltung

4.6.1.17  für U-235 und U-238

24

4.6.1.19 Kettenreaktion

4.6.1.20 Neutronenabsorber

Regelstäbe / -platten

(Kernreaktorsteuerung)

Cd In / Ag Hf

113Cd

(n, ) 114Cd

B4C , B2O3

10B

)

Kernschutz

(Kernreaktorstörfall) Na2B10O16 .10 H2O

Biologische Abschirmung

(SUR-100): H3BO4



(n,

7Li

25

4.6.1.22 Neutronenmoderation

Abbremsen schneller Neutronen auf thermische Geschwindigkeit

4.6.1.23 Wirkungsquerschnitte III: Neutroneneinfang und -streuung Element

einf

streu

H-1 H-2 B-10 Gd-64

0,33 0,00046 755 46 000

38 (Gas) 7 4 -

26

5.12.2 Neutrondosiskonversionsfaktoren Neutronendosiskonversionsfaktoren 1

[m--sv*cm2]

0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 0,000001 1,0E-10

1,0E-08

1,0E-06

1,0E-04

1,0E-02

1,0E+00 1,0E+02 1,0E+04

Energie [MeV]

ICRP 116* Neutronen

ICRU_74 Neutronen

Literatur

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Grupen, K.; Grundkurs Strahlenschutz; Springer-Verlag 2008 Krieger, H. Grundlagen der Strahlungsphysik; Vieweg + Teubner Verlag 2009 Vogt – Schultz; Grundzüge des praktischen Strahlenschutzes, Hanser-Verlag 1992 Dobrinski - Krakau – Vogel; Physik für Ingenieure Haliday – Resnick - Walker; Physik; Viley VCH 2001, ISBN 3-527-40366-3 De Pree; Physics made simple; Broadway Books; 2004, ISBN 0-7679-1701-4 Browne; Physics for Engineering and Science; McGraw Hill, 1998, ISBN 0-07008498-X B. Bröcker; DTV-Atlas zur Atomphysik; DTV-Verlag, 1993 Volkmer – Kernenergie Basiswissen; Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz Koelzer, Lexikon der Kernenergie

27

Pause

Ende

28