Natürliche Untergrundstrahlung und Auswertung von Zählraten
Woher der Nulleffekt eines Strahlungsdetektors stammt, wie man ihn von der Zählrate abzieht und welche Elemente die natürliche Untergrundstrahlung tragen.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Untergrundstrahlung ist die Strahlung aus der Umgebung, die ein Detektor auch ohne Probe als Nulleffekt misst.
- Die Nettozählrate erhält man durch Abziehen des Nulleffekts von der Bruttozählrate; die Zählausbeute ist Nettozählrate geteilt durch Aktivität.
- Die Gammaspektrometrie ordnet Impulse nach ihrer Energie und trennt so Probenlinien (z. B. \(\ce{^{99m}Tc}\), 140 keV) von Untergrundlinien (\(\ce{^{40}K}\), 1461 keV).
- Maßgeblich tragen Kalium (über \(\ce{^{40}K}\)), Uran, Thorium und Radon zur natürlichen Strahlenbelastung bei, Radon mit dem größten Anteil.
- Natürliches Bismut, Blei und Silicium tragen nicht maßgeblich bei.
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Worum es geht
Jede radiochemische Messung enthält neben dem Signal der Probe einen Anteil aus der Umgebung. Wer Radiopharmaka prüft oder Aktivitäten bestimmt, muss diesen Untergrund kennen und korrigieren. Er stammt zum großen Teil aus wenigen natürlichen Radionukliden.
Zählrate und Zählausbeute
Ein Detektor registriert nie jeden Zerfall einer Probe. Ein Teil der Strahlung fliegt am Detektor vorbei, ein anderer durchdringt ihn ungezählt. Das Verhältnis aus gemessener Zählrate und tatsächlicher Zerfallsrate heißt Zählausbeute. Sie hängt von Strahlungsart und Detektortyp ab (siehe Messgrößen und Detektoren).
Auch ohne Probe zählt ein Detektor Impulse. Dieser Nulleffekt stammt aus der Untergrundstrahlung von Boden, Baustoffen und kosmischer Strahlung. Man misst ihn getrennt und zieht ihn ab.
\[Z_{\mathrm{netto}} = Z_{\mathrm{brutto}} - Z_0 \qquad \varepsilon = \frac{Z_{\mathrm{netto}}}{A}\]
\(Z\): Zählrate in Impulsen pro Sekunde, \(Z_0\): Nulleffekt, \(A\): Aktivität in Bq, \(\varepsilon\): Zählausbeute (dimensionslos).
Ein Beispiel: Eine Probe mit 5000 Bq liefert brutto 1200 Impulse/s, der Nulleffekt beträgt 50 Impulse/s. Netto bleiben 1150 Impulse/s, die Zählausbeute liegt also bei 0,23 oder 23 %.
Die Gammaspektrometrie misst energiedispersiv. Der Detektor sortiert jeden Impuls nach seiner Energie. Jedes Radionuklid erzeugt Linien bei charakteristischen Energien, deshalb lassen sich Probe und Untergrund trennen. In der Abbildung zeigt \(\ce{^{99m}Tc}\) seinen Photopeak bei 140 keV, das natürliche \(\ce{^{40}K}\) im Untergrund eine Linie bei 1461 keV.
Quellen der Untergrundstrahlung
Die natürliche Untergrundstrahlung geht vor allem auf vier Elemente zurück. Kalium wirkt über sein radioaktives Isotop \(\ce{^{40}K}\), das rund 0,012 % des natürlichen Kaliums ausmacht. Es steckt in Baustoffen, Nahrung und im eigenen Körper. Uran und Thorium sitzen in Gestein und Boden. Ihre langen Zerfallsreihen bilden ständig neue Radionuklide (siehe Zerfall und Verschiebungsregeln).
Ein Glied der Uranreihe ist das Edelgas Radon (\(\ce{^{222}Rn}\)). Es steigt aus dem Boden auf und sammelt sich in Kellern und schlecht gelüfteten Räumen. Eingeatmet bestrahlen Radon und seine Folgeprodukte die Lunge mit α-Teilchen. So liefert Radon den größten Teil der natürlichen Strahlenbelastung.
Anders verhält sich Bismut. Natürliches Bismut besteht praktisch nur aus \(\ce{^{209}Bi}\). Seine Halbwertszeit von rund \(2 \cdot 10^{19}\) Jahren übersteigt das Alter des Universums bei Weitem, sein Beitrag ist daher praktisch null. Blei ist das stabile Endprodukt der Uran- und Thoriumreihen und trägt nicht maßgeblich bei. Auch Silicium, Hauptbestandteil vieler Gesteine, besteht aus stabilen Isotopen und spielt für den Untergrund keine Rolle.
Quiz
Aussage 1
Kalium trägt über sein natürlich vorkommendes Isotop \(\ce{^{40}K}\) zur Untergrundstrahlung bei, unter anderem aus Baustoffen und dem eigenen Körper.
\(\ce{^{40}K}\) macht rund 0,012 % des natürlichen Kaliums aus und ist eine Hauptquelle des Untergrunds.
Aussage 2
Um die Nettozählrate einer Probe zu erhalten, zieht man den separat gemessenen Nulleffekt von der Bruttozählrate ab.
Es gilt \(Z_{\mathrm{netto}} = Z_{\mathrm{brutto}} - Z_0\); der Nulleffekt stammt aus der Untergrundstrahlung.
Aussage 3
Natürliches Bismut liefert einen wesentlichen Beitrag zur natürlichen Strahlenbelastung, weil es am Ende der Uranreihe steht.
Natürliches Bismut besteht praktisch nur aus \(\ce{^{209}Bi}\) mit einer Halbwertszeit von rund \(2 \cdot 10^{19}\) Jahren und trägt praktisch nicht bei. Stabiles Endprodukt der Zerfallsreihen ist Blei.
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