Aus der Definition der Messgröße PAEC (Potenzielle Alphaenergiekonzentration der kurzlebigen Radonfolgeprodukte) ist ersichtlich, worin das einfache Prinzip der Messung besteht:

  • Luft durch ein Messfilter saugen, das die Folgeprodukte (möglichst vollständig) abscheidet;
  • Alphazerfälle registrieren und zählen;
  • Algorithmus zur Berechnung der Messgröße PAEC oder EEC auf das Zählergebnis anwenden.

Definitionsgemäß könnte man die Messgröße PAEC folglich messen, indem man in einem Zeitintervall ein  (gemessenes) Luftvolumen durch ein Filter saugt und die gesammelte Aktivität der Folgeprodukte vollständig abklingen lässt. Das ist nach ca. 3 h der Fall (siehe Halbwertszeiten). Die Alphazerfälle müssen vom Beginn des Pumpens bis zum vollständigen Abklingen registriert werden. Exakt wäre, die beiden Nuklide Po-218 und Po-214 getrennt zu  registrieren und mit der jeweiligen Energie zu multiplizieren und durch das Luftvolumen zu teilen. Auf diese diskontinuierliche Methode, möchte ich hier jedoch nicht eingehen.

Auch wenn die Beaufschlagung des Filters kontinuierlich erfolgt und die Alphazerfälle ständig ohne Trennung der Nuklide gezählt werden,  kann man mit hinreichender Genauigkeit die Messgröße PAEC (oder EEC) bestimmen. Dazu ist die Umrechnung des primären Messergebnisses- Anzahl Alphazerfälle pro Zeiteinheit- in PAEC/EEC möglich. Die praktische Messmethode, die ich vorschlage basiert auf der kontinuierlichen Messung.

Anmerkung:

Die Messung der Radonfolgeprodukte hat im Strahlenschutz des Bergbaus eine lange Tradition. Dafür wurden in der Vergangenheit eine Vielzahl von Kurzzeitmessmethoden entwickelt.  Diese Messungen für den praktischen Strahlenschutz sind  jedoch in letzter Zeit, zumindest in Deutschland, weitgehend von der Messung des Radons als Gas abgelöst worden. 

Auch wenn das Prinzip der Messung sehr einfach ist, sind doch einige Knackpunkte zu beachten:

  • es wird ein hochabscheidendes Filter benötigt,
  • der Luftdurchsatz muss zuverlässig bestimmt werden und
  • die Effektivität des Nachweises der Alphastrahlung muss bekannt sein.

Ich hoffe, dass sich dadurch niemand entmutigen lässt, der sich bereits mit dem Gedanken, eine Messapparatur aufzubauen, angefreundet hatte. Es gibt für alles auch einfach zu realisierende Möglichkeiten.

Hier ist die ebenfalls einfache Gleichung zur Berechnung der Messgröße EEC.

Gleichung (1):

mit:

a: Konstante, die von den verwendeten Maßeinheiten abhängt,

N: Anzahl der gezählten Impulse;

η:  Effektivität des Nachweises der Alphateilchen (Verhältnis von erzeugten  Alphateilchen zu den vom Detektor nachgewiesen; Bestimmung wird im praktischen Teil beschrieben)

Q: Luftdurchsatz (Bestimmung wird im praktischen Teil beschrieben);

T: Messzeit bzw. Zeit des Zählintervalls.

Wenn die Maßeinheiten

  • T in s (Sekunden) und
  • Q in l/min (Liter/Minute)
  • EEC in Bq/m^3

verwendet werden, beträgt die Konstante a=13,2. Soll das Ergebnis als PAEC in der Maßeinheit nJ/m^3 berechnet werden, so muss nur die Konstante a=13,2*5,56=73,39 verwendet werden.

Nach Beginn des Pumpens beginnt die Sammlung der Folgeprodukte auf dem Filter, d.h. dass die auf dem Filter akkumulierte Aktivität ansteigt. Gleichzeitig beginnt aber der Zerfall der gesammelten Aktivität. Dadurch kommt es zu einem exponentiellen Anstieg bis zu einem Gleichgewichtzustand , falls die Messgröße während der betrachteten Zeit konstant ist. Bei den Radonfolgeprodukte ist dieser Gleichgewichtszustand nach ca. 3 h erreicht.

 

Streng genommen gilt Gleichung (1) erst nach Gleichgewichtseinstellung. Bei der Auswertung der Messergebnisse sollte man das mit berücksichtigen. Nun taucht die Frage auf: Was ist, wenn sich die Konzentration der Radonfolgeprodukte während der Messung verändert?  – Das Zeitverhalten hat zur Folge, dass sich ändernde Konzentrationen während der Messung zeitlich „verschliffen“ werden. Bei einer Mittelwertbildung über längere Zeit (12- oder 24 h – Mittelwerte) ist das völlig unproblematisch; lediglich die ersten 3 h der Messung könnte man weglassen. Eine Zeitkorrektur für die ersten 3 h wäre ebenfalls möglich, ist jedoch für die angestrebte einfache Bastelvariante nicht erforderlich.

Soviel vorläufig zur Theorie. Zur Messung von Thoronfolgeprodukten sage ich  etwas bei der Beschreibung der Auswertung.

 

Messtechnik

Die Messung erfolgt prinzipiell so wie bei Kernstrahlungsmessungen üblich. Ich möchte hier nur die für das Projekt wichtigsten Punkte ansprechen.

Die erste Stufe des Nachweises von radioaktiver Strahlung ist ein Detektor, der infolge der Einwirkung der Strahlung ein elektronisch  auswertbares Signal liefert. Meist sind die Signale so klein, dass sie von einer Nachfolgeelektronik nicht direkt verarbeitet werden können. Deshalb wird das Detektorsignal über einen sog. Vorverstärker der weiteren Signalbehandlung zugeführt.

Von den Folgeprodukten, die auf dem Messfilter abgeschieden wurden, wird sowohl Alphastrahlung aber auch Beta- und Gammastrahlung emittiert. Für die Messung von Radon- und Thoronfolgeprodukten ist der Nachweis von Alphastrahlung sowohl wegen der Definition der Messgröße PAEC als auch wegen der messtechnischen Vorteile (kein oder nur sehr geringer Nulleffekt, größere Signalamplitude als bei Beta- und Gammastrahlung) die sinnvollste und am häufigsten angewandte Methode. Professionell dienen dazu meist sog. Halbleiterdetektoren, die im Prinzip großflächige Si-Dioden darstellen, die so aufgebaut sind, dass die Alphastrahlung die Raumladungszone der Diode erreichen kann. Wenn ein Alphateilchen auf die empfindliche Schicht trifft, erzeugt dieses in der Raumladungszone der Diode eine Freisetzung von Ladungsträgern, die infolge der angelegten Spannung abgesaugt werden und einen Stromimpuls verursachen. Das Zeitintegral des Impulses ist proportional der erzeugten Ladungsmenge und damit der Energie des Alphateilchens. Dieser Impuls muss nun jedoch in einen verwertbaren Spannungsimpuls umgewandelt werden. Das wird von einem sog. Vorverstärker realisiert. Im Vorverstärker wird das ladungsabhängige Signal über die Eingangskapazität und einer Verstärkerstufe in einen Spannungsimpuls umgewandelt,  dessen Amplitude der erzeugten Ladung proportional  ist.

Ein Beispiel für eine professionelle Messkette mit Alphaspektrometrie (d.h. mit Analyse der Impulshöhenverteilung respektive Energieverteilung)kann man sich im Netz ansehen.

In unserer Bastelversion ist keine Impulshöhenanalyse vorgesehen. Vielmehr sollen alle Alphateilchen, die den Detektor erreichen, unabhängig von ihrer Energie, registriert werden, auch als „Gross Alpha Counting“ bezeichnet.

Nochmal in Kürze:

  •  Zur Messung von Radonfolgeprodukten wird Luft kontinuierlich durch ein Messfilter gesaugt. 
  • Ein dem Filter gegenüberliegender Detektor registriert einen bekannten und konstanten Anteil der von der auf dem Filter abgeschiedenen Aktivität ausgehenden Alphastrahlung als Impulse.
  • Eine nachfolgende Auswerteelektronik speichert die Zählergebnisse N  für den Zählzeitraum T.
  • Über die Gleichung (1) wird das Ergebnis für die Messgröße EEC (PAEC) berechnet.

 

Es ist möglich, dass ich bei der Einführung die Grundlagen der Messung nicht ausführlich genug beschrieben habe um das Prinzip der Messungen zu verstehen. Man möge es mir verzeihen. Für Vorschläge zur besseren Verständlichkeit wäre ich dankbar.

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