Radiokologie und Strahlenschutz Vorlesung FHH SS 2017 Ulrich
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Radioökologie und Strahlenschutz Vorlesung FHH: SS 2017 Ulrich J. Schrewe Themen: Anwendung kernphysikalischer Messverfahren in der industriellen Messtechnik Eigenschaften ionisierender Strahlungswirkung - Strahlenschutz Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 1
Inhaltsverzeichnis 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe Einleitung Grundlagen Atomphysik Basiswissen Kernphysik Röntgenstrahlung Strahlungswechselwirkung Strahlungsnachweis Anwendungen Grundlagen Strahlenschutz 2
Kapitel 4 Röntgenstrahlung Microsoft Power Point Dateien mit Vorlesungsunterlagen finden Sie als web-Files: https: //webfiles. hs-hannover. de Oder über die Homepage http: //schrewe. wp. hs-hannover. de Fragen (jederzeit) auch per e-mail: ulrich. schrewe@hs-hannover. de Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 3
Röntgenstrahlung Wilhelm Conrad Röntgen 1845 - 1923 Röntgen 1895: Entdeckt bei Experimenten mit Kathodenstrahlen (Elektronenstrahl im Vakuum) neue Strahlenart. X-Strahlung (engl. x-rays) oder Röntgenstrahlung genannt. Eigenschaften: Strahlung ist unsichtbar, erzeugt Fluoreszenslicht, schwärzt Fotoplatten und Filme, ionisiert Gase, besitzt große Durchdringungsfähigkeit in Materie, zeigt keine Beeinflussung durch elektrische und magnetische Felder. Fazit: Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen mit sehr kurzer Wellenlänge, ähnlich zum sichtbaren Licht. Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 4
Röntgenröhre Historische Röntgenröhre Prinzip einer Röntgenröhre Beschleunigungsspannung K - Kathode A - Anode e- - Kathodenstrahlung Heizspannung Austrittsfenster für Röntgenstrahlung Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 5
Moderne Röntgenröhre Heutige Röntgenröhren Anode muss z. T. mit Wasser gekühlt werden. Der Kathodenstrahl soll möglichst kleine Brennflecken auf der Anode erzeugen. Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 6
Erzeugung von Röntgenbremsstrahlung Röntgen quant geladenes Teilchen Röntgenstrahlung entsteht, wenn schnelle geladene Teilchen (z. B. Elektronen) in Materie abgelenkt werden. Die Energie des Röntgenquants kann maximal den Wert der kinetischen Energie des geladenen Teilchens annehmen. b = Stoßparameter ablenkender Kern Wird die Röntgenröhre mit Spannung U betrieben wird, werden Röntgenquanten mit Energien zwischen Null und Emax = e ·U erzeugt. Die Form des Spektrums entsteht durch Überlagerung mit der Absorption in der Anode (Filterwirkung im Bereich kleiner Energien). Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe http: //www. rad. rwth-aachen. de/lernprogramm/grd. htm 7
Eigenschaften der Röntgenröhren erreichen Energien von 10 ke. V bis 400 ke. V. Der unterer Wert ergibt sich als Folge von Absorptionsprozessen in der Anode und dem Röhrenaustrittsfenster. Der obere Wert wird durch die Durchschlagsfestigkeit der Luft bestimmt: Spannungen über 400 k. V sind in Luft kaum realisierbar. Röntgenenergien in der Medizin liegen zwischen 10 ke. V und 150 ke. V. Bei industriellen Anwendungen sind oft größere Energien erforderlich I = Anodenstrom in A (bis 400 ke. V). U = Spannung in V Z = Ordnungszahl Anode Strahlungsleistung: P ~ 2· 10 -6·I·Z·U 2·ke. V-1 Strahlungsausbeute: = P/(I·U) = 2· 10 -6·Z·U·ke. V-1 Beispiel: Anodenmaterial Wolfram W mit Z = 74, U = 100 ke. V. Für die Ausbeute ergibt sich ein Wert von = 0, 0148 ~ 1, 5% Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 8
Vergleich von Röntgenbremsspektren Spektrale Verteilung der Röntgenbremsstrahlung. Die Form des Spektrums ist für alle Spannungen ähnlich. Spannungsabhängig ist die minimale Wellenlänge min: Beispiel: U = 30 k. V: min = 0, 413· 10 -10 m U = 50 k. V: min = 0, 248· 10 -10 m Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 9
Zusammenfassung Röntgenbremsspektrum Die Bremsstrahlungsspektren zeigen eine scharfe Grenze bei kleinen Wellenlängen min bzw. bei großen Frequenzen fmax. Die Begrenzung ergibt sich aus der Betriebsspannung U der Röntgenröhre. Es gilt: Beschleunigungsarbeit = kinetische Energie des geladenen Teilchens = maximale Energie h·f der Röntgenquanten: Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 10
Charakteristische Spektren Bei höheren Betriebsspannungen zeigen sich zusätzliche charakteristische Röntgenlinien. Die Linien entstehen durch Elektronenübergängen in den Atomhüllen des Anodenmaterials. Sie entsprechen den optischen Spektrallinien, besitzen aber deutlich höhere Energien: Optische Linien liegen im e. V Bereich, charakteristische Röntgenlinie im ke. V = 103 e. V Bereich. Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 11
Charakteristische Strahlung Entsteht ein Loch in der K-Schale, so können Elektronen aus den höheren L, M, N - Schalen dieses Loch füllen. Die Energiedifferenz wird als Röntgenquant mit der Energie EX-ray abgestrahlt. Es gilt: Ei bezeichnet den Ausgangszustand, Ef den Endzustand. Die Energien der Elektronenzustände sind charakteristisch für das Elemente, also für Z. Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 12
Röntgentermschema für Platin Die Bezeichnungen der Röntgenlinien sind historisch: Die alphabetische Reihenfolge entspricht abnehmender Intensität. Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 13
Moseley. Diagramm Beispiel für Z = 40 Das Moseley-Diagramm zeigt für die verschiedenen Elektronenzustände als Funktion von Z. Die Werte der charakteristischen Röntgenlinien ergeben sich aus den Differenzen. Die Zuordnung von Röntgenenergie und Ordnungszahl Z ist eindeutig. Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 14
Anwendung Röntgenfluoreszenz: Röntgenspektren, die von einer bestrahlten Probe ausgesandt werden, zeigen deren elementare Zusammensetzung. Eine Anregung (Erzeugung von Löchern) kann auf verschiedene Weise erfolgen: Bestrahlung mit Teilchen-, Röntgen oder Strahlung. Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe Fluoreszenz ist die spontane Aussendung von elektromagnetischer Strahlung aus Atomen/Kernen nach vorheriger Anregung. 15
Prinzip Röntgenfluoreszens 1. Ionisierende Strahlung mit ausreichender Energie kann Elektronen aus den gebundenen Zuständen innerer Elektronenschalen entfernen und so Lochzustände erzeugen (Ionisierung innerer Schalen). 2. Bei der Röntgenfluoreszenz untersucht man meist Strahlungsübergänge zur K- oder L-Schale, die beim Wiederauffüllen der Löcher entstehen. 3. Man kann sowohl -, - und -Strahlung, Protonen, andere Ionen und auch Röntgenstrahlung zur Ionisierung der Proben verwenden. 4. Die K- und L-Röntgenfluoreszenzstrahlung wird mit Detektoren nachgewiesen, die für den Energiebereich von 1 ke. V - 100 ke. V empfindlich sind. Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 16
Schritt 1: Ionisierung in der K-Schale K-Photoelektron verlässt das Atom mit der Energie Ee = E 0 - BK Beliebige ionisierende Strahlung: -, , , p, emit Energie E 0 > BK (BK = Bindungsenergie des K-Elektrons) Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 17
Schritt 2: K - und K - Quanten q Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe Das Loch in der KSchale kann durch Elektronen aus höheren Aa Schalen gefüllt werden. A Bezeichnungen und Energien: K : EK = BL - BK Kß: EKß = BM - BK 18
Schritt 3: L - und Lß- Quanten a L a a L Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe Das Loch in der L -Schale kann durch Elektronen aus höheren Schalen gefüllt werden. L : EL = BM - BL Lß: ELß = BN - BL 19
XRF zur Materialanalyse Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 20
Röntgenröhren für XRF Es gibt sehr kompakte Mini-Röntgenröhren speziell für die Röntgenfluoreszenz (XRF). Sie liefern kontinuierliche Spektren von 1 ke. V bis 50 ke. V. Röntgenröhre Versuchsaufbau mit Mini. Röntgenröhre und Röntgendetektor vor einer Mineral. Probe. Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe Probe Röntgendetektor 21
Emissionsspektrum der Röhre Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 22
Detektor: Si- oder CZT Detektor Si-Dioden sind gut geeignet für Strahlung im Energiebereich von 1 ke. V bis 30 ke. V. CZT-Detektoren (Cd. Zn. Te) eignen sich besonders für Energien von 6 ke. V – 100 ke. V. Elektronischer Vorverstärker Detektor Dünnes Eintrittsfenster Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 23
Anwendung Si-PIN mit 109 Cd Analyse einer Goldmünze Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 24
Anwendung: Si-PIN mit 109 Cd Analyse eine Platinringes Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 25
Si-PIN mit Röntgenröhre 30 k. V Prozesskontrolle: Verzinken von Eisen Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 26
Anwendung: Si-PIN mit 55 Fe Untersuchung von Papier Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 27
Anwendung: Si-PIN mit 55 Fe Untersuchung verschiedener Gläser Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 28
Anwendung: Si-PIN mit 55 Fe Analyse von Zement Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 29
Si-PIN mit Röntgenröhre 30 k. V Es ist nicht alles Gold, was glänzt! Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 30
XRF-Handgeräte Es gibt verschiedene Handgeräte für einen Vorort-Einsatz. Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 31
Analyse von 244 Marsgestein: Cm Mars-Pathfinder im Areas Vallis Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 32
Untersuchung eines Marsstein Yogi Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 33
1997 Erste Ergebnisse vom Mars Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 34
Analyse der Mars. Bodenproben Radioökologie und Strahlenschutz SS 17 - Schrewe 35
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