Messgrößen und Detektoren für radioaktive Strahlung
Welche Größe beschreibt wie viel, wie energiereich und wie schädlich radioaktive Strahlung ist, in welcher Einheit man sie angibt und mit welchen Detektoren man sie misst.
Das Wichtigste in Kürze
- Radioaktive Strahlung beschreibt man mit Aktivität, Strahlungsenergie und Dosis, gemessen wird sie über Ionisation oder Lichtblitze.
- Die Aktivität zählt Zerfälle pro Sekunde, ihre SI-Einheit ist das Becquerel (1 Bq = 1 Zerfall/s).
- Die Energie einzelner Teilchen oder Quanten gibt man in Elektronenvolt an, Halbwertszeit und Emissionsintensität messen sie nicht.
- Die Energiedosis wird in Gray, die Äquivalentdosis \(H = w_R \cdot D\) in Sievert angegeben.
- Ionisationskammer, Geiger-Müller-Zählrohr, Halbleiter- und Szintillationsdetektor eignen sich zur Strahlungsmessung, FID, ECD und WLD dagegen nicht.
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Worum es geht
Für radioaktive Strahlung gibt es drei Fragen: Wie oft zerfällt ein Nuklid, wie energiereich ist die Strahlung und wie viel Energie nimmt Gewebe auf? Jede Frage hat ihre eigene Größe und Einheit. In der Pharmazie braucht man sie bei der Dosierung und Prüfung von Radiopharmaka, etwa eines \(\ce{^{99m}Tc}\)-Präparats, und im Strahlenschutz.
Aktivität
Die Aktivität \(A\) gibt an, wie viele Atomkerne eines Radionuklids pro Zeiteinheit zerfallen. Sie hängt von der Zahl der vorhandenen Kerne \(N\) und der Zerfallskonstante \(\lambda\) ab:
\[A = -\frac{dN}{dt} = \lambda \cdot N\]
Hier ist \(A\) in \(\mathrm{s^{-1}}\), \(N\) dimensionslos und \(\lambda\) in \(\mathrm{s^{-1}}\) angegeben. Wie \(\lambda\) mit der Halbwertszeit zusammenhängt, steht unter Zerfall und Halbwertszeit.
Die SI-Einheit der Aktivität ist das Becquerel (Bq). Ein Becquerel entspricht einem Zerfall pro Sekunde. Die ältere Einheit Curie ist groß: 1 Ci = \(3{,}7 \cdot 10^{10}\) Bq. Für radioaktive Arzneimittel gibt man die Aktivität meist in MBq oder GBq an.
Ein Beispiel: Eine Probe zeigt in 60 s genau \(3{,}0 \cdot 10^{8}\) Zerfälle. Ihre Aktivität beträgt \(3{,}0 \cdot 10^{8} / 60\ \mathrm{s} = 5{,}0 \cdot 10^{6}\) Bq, also 5,0 MBq.
Die Aktivität zählt nur Ereignisse. Man kann sie mit einem Regen vergleichen, bei dem man die Tropfen zählt, ohne ihre Größe zu kennen. Über die Energie der einzelnen Strahlung sagt sie deshalb nichts aus.
Die Aktivität von Radionukliden und Radiopharmaka wird im Examen gerne gefragt: Sie zählt Zerfälle pro Sekunde und wird in Becquerel angegeben. Achte darauf, dass Becquerel weder die Strahlungsenergie noch eine Dosis misst.
Strahlungsenergie
Die Energie eines einzelnen Teilchens oder γ-Quants gibt man in Elektronenvolt (eV) an. Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen einer Spannung von 1 V gewinnt. Es gilt 1 eV = \(1{,}602 \cdot 10^{-19}\) J. Für Kernstrahlung sind keV und MeV üblich.
Zwei Beispiele: \(\ce{^{99m}Tc}\) sendet γ-Quanten mit 140 keV aus. Bei der Vernichtung eines Positrons entstehen zwei Photonen mit je 511 keV. Wie die Energie elektromagnetischer Strahlung allgemein mit der Frequenz zusammenhängt, behandelt Elektromagnetische Strahlung.
Anders als die Energie beschreibt die Halbwertszeit eine Zeit. Sie sagt, wie schnell ein Nuklid zerfällt, nicht wie energiereich seine Strahlung ist. Auch die Emissionsintensität ist kein Maß für die Energie, denn sie zählt, wie viele Teilchen oder Quanten austreten.
Dosisgrößen
Dosisgrößen beschreiben, was die Strahlung in Materie anrichtet. Die Energiedosis \(D\) ist die absorbierte Energie pro Masse. Ihre Einheit ist das Gray (Gy), mit 1 Gy = 1 J/kg.
Gleiche Energiedosis schädigt Gewebe nicht immer gleich stark. α-Teilchen ionisieren auf kurzer Strecke sehr dicht und wirken daher stärker als Photonen. Die Äquivalentdosis \(H\) berücksichtigt das über den Strahlungs-Wichtungsfaktor \(w_R\). Sie wird in Sievert (Sv) angegeben.
\[H = w_R \cdot D\] \(H\) Äquivalentdosis in Sv, \(D\) Energiedosis in Gy, \(w_R\) dimensionsloser Wichtungsfaktor: 1 für Photonen und Elektronen, 20 für α-Strahlung.
Gray und Sievert haben beide die Dimension J/kg. Mit der Aktivität haben sie nichts zu tun. Die Tabelle ordnet alle Größen dieser Seite.
| Größe | Beschreibt | Einheit |
|---|---|---|
| Aktivität | Zerfälle pro Sekunde | Becquerel (Bq) |
| Strahlungsenergie | Energie je Teilchen oder Quant | Elektronenvolt (eV) |
| Energiedosis | absorbierte Energie pro Masse | Gray (Gy) |
| Äquivalentdosis | biologisch gewichtete Dosis | Sievert (Sv) |
Geeignete Detektoren
Radioaktive Strahlung lässt sich nur indirekt messen. Detektoren nutzen dafür zwei Effekte. Entweder ionisiert die Strahlung ein Gas oder einen Halbleiter, und die Ladungen wandern zu Elektroden. Oder sie regt einen Kristall zu einem Lichtblitz an, den ein Photomultiplier verstärkt.
Radioaktivität misst man über Ionisation (Ionisationskammer, Geiger-Müller-Zählrohr, Halbleiterdetektor) oder über einen Lichtblitz (Szintillationsdetektor).
Ionisation
Die Ionisationskammer sammelt bei mäßiger Spannung die gebildeten Ionen. Der Strom ist proportional zur Strahlung. Deshalb misst man damit die Aktivität von Radiopharmaka vor der Anwendung.
Das Geiger-Müller-Zählrohr ist ein gasgefülltes Rohr mit zylindrischer Kathode und dünnem Zähldraht als Anode. Die Spannung ist so hoch, dass schon eine einzige Ionisation eine Lawine im ganzen Rohr auslöst. Jedes Teilchen erzeugt so einen gleich großen Impuls. Das Zählrohr zählt also zuverlässig, unterscheidet aber keine Energien.
Im Halbleiterdetektor erzeugt die Strahlung Elektron-Loch-Paare in einem Kristall, etwa aus Germanium. Er zählt Teilchen und trennt Energien besonders scharf.
Lichtblitz
Der Szintillationsdetektor wandelt Strahlung in Licht und dann in Strom um:
- Kristall: Ein γ-Quant regt einen NaI(Tl)-Kristall an, der einen Lichtblitz aussendet.
- Photokathode: Das Licht schlägt dort Elektronen heraus.
- Dynoden: Jede Dynode des Photomultipliers vervielfacht die Elektronen.
- Anode: Ein messbarer Impuls entsteht, dessen Höhe der Energie des Quants folgt.
Ungeeignete Detektoren
Einige Detektoren aus der Gaschromatographie klingen ähnlich, messen aber Stoffe im Trägergas. Zur Messung radioaktiver Strahlung oder der Aktivität von Radiopharmaka sind sie nicht geeignet.
Der Flammenionisationsdetektor (FID) erzeugt Ionen, indem er organische Stoffe in einer Wasserstoffflamme verbrennt. Die Ionisation stammt hier aus der Flamme, nicht aus Strahlung. Der Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) registriert, wie ein Analyt die Wärmeleitfähigkeit des Gases ändert.
Beim Elektroneneinfangdetektor (ECD) ist die Verwechslung naheliegend. Er enthält zwar einen β-Strahler als Elektronenquelle. Gemessen wird aber, wie stark elektronegative Analyten diese Elektronen einfangen. Die Aktivität einer Probe erfasst er nicht.
Quiz
Aussage 1
Ein Präparat mit einer Aktivität von 2 MBq zeigt zwei Millionen Zerfälle pro Sekunde.
1 Bq entspricht einem Zerfall pro Sekunde, 2 MBq also \(2 \cdot 10^{6}\) Zerfällen pro Sekunde.
Aussage 2
Die Angabe in Becquerel gibt an, wie energiereich die Strahlung eines Radionuklids ist.
Becquerel misst die Aktivität, also die Zahl der Zerfälle pro Sekunde. Die Energie gibt man in Elektronenvolt an.
Aussage 3
Der Flammenionisationsdetektor eignet sich zur Messung der Aktivität von Radiopharmaka, weil er Ionen erfasst.
Die Ionen im FID entstehen durch Verbrennung organischer Stoffe in der Flamme. Für Strahlung nutzt man etwa Ionisationskammer oder Szintillationsdetektor.
Aussage 4
Die Äquivalentdosis wird in Sievert angegeben und berücksichtigt die Strahlungsart über einen Wichtungsfaktor.
Es gilt \(H = w_R \cdot D\), mit \(H\) in Sv. α-Strahlung hat den Faktor 20, Photonen den Faktor 1.
Aussage 5
Je kürzer die Halbwertszeit eines Nuklids, desto höher ist die Energie seiner Strahlung.
Die Halbwertszeit beschreibt, wie schnell ein Nuklid zerfällt. Sie ist kein Maß für die Strahlungsenergie, die in eV angegeben wird.
Aussage 6
Im Szintillationsdetektor erzeugt die Strahlung in einem Kristall einen Lichtblitz, den ein Photomultiplier in einen elektrischen Impuls umwandelt.
Der NaI(Tl)-Kristall leuchtet auf, Photokathode und Dynoden erzeugen und vervielfachen Elektronen bis zum Impuls an der Anode.
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