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Grundwissen

Ionisierende Strahlung in der Technik

Aufgaben Aufgaben

Zum Teil gehen die folgenden Anwendungen der Kernphysik in der Technik deutlich über den Schulstoff hinaus. Wir bringen die Zusammenstellung trotzdem für besonders interessierte Schüler.

Dickenmessung

ionisierendestrahlung_dickemessung_10.png © Ulrich J. Schrewe
Abb. 1 Beim Durchstrahlverfahren wird die Schichtdicke direkt mittels Absorptionsgesetz aus der Zählrate im Detektor ermittelt.
Durchstrahlverfahren
Beim Durchstrahlverfahren wird die Schichtdicke direkt mittels Absorptionsgesetz aus der Zählrate im Detektor ermittelt. Es besteht nämlich ein definierter Zusammenhang zwischen der Abschwächung der Strahlung und der Probendicke.
    
Blechherstellung im Walzwerk
Die berührungslose Dickemessung mittels Präparat, wie rechts skizziert, benutzt man im Produktionsprozess von Blechen in Walzwerken. Hier ist die Dichtemessung mittels Absorptionsgesetz des Strahlers einfacher als ein beidseitiges Abtasten auf mechanische oder optische Art. Der Ionisationsstrom im Detektor regelt den Abstand der Walzen.     
    
Spanplattenproduktion
Bei der Produktion von Spanplatten in der Holz verarbeitenden Industrie verwendet man diese Methode, da es hier darauf ankommt die Masse an Holzspänen pro Flächeneinheit gleichmäßig zu halten. Der Detektor regelt deshalb die die Zugabe an Holzspänen vor dem eigentlichen Pressvorgang.

Beispiel entstammt den Folien von Ulrich J. Schrewe - FH-Hannover.

Werkstoffprüfung

werkstoffpruefung_mit_gammastrahlen.svg
Abb. 1 Prinzipieller Aufbau für die Prüfung von Schweißnähten
Schweißnähte an Behältern, Rohren und Brücken werden oft erst an der Baustelle ausgeführt. Man überprüft ihre Qualität, indem man die Stelle mit einem Film oder Detektor hinterlegt und von der anderen Seite mit einem Gammapräparat bestrahlt.

Zur genaueren Bestimmung von Einschlüssen in Werkstoffen verwendet man die Computertomographie. Auch hier wird das Werkstück von radioaktiver Strahlung durchdrungen. Dabei wird aber das Werkstück zwischen Detektor und Strahlenquelle auf einem Manipulator in verschiedene Stellungen gedreht, die dabei aus verschiedenen Richtungen aufgenommenen Bilder werden in der Bildverarbeitung eines Computers zu einem dreidimensionalen virtuellen Modell des Objekts zusammengefügt.

wekstoffpruefung_gammastrahlung_3d_modell_erstellen.png © Ulrich J. Schrewe - FH-Hannover
Abb. 2 Anordnung zur Erstellung eines 3D Modells
wekstoffpruefung_gammastrahlung_3d_modell_31.jpg © Ulrich J. Schrewe Ulrich J. Schrewe - FH-Hannover
Abb. 3 3d-Model eines Werkstücks, mit Fehlstellen

Tracer-Methoden

Als Tracer (to trace: einer Spur folgen) bezeichnet man Substanzen, die man beimischt, um anschließend die Verteilung der zu untersuchenden Verbindung zu analysieren. Physikalische Tracer werden durch rein physikalische Vorgänge an die zu verfolgende Substanz gebunden. Beispiele sind stark riechende Gase, die man an geruchlosen, aber giftigen bzw. explosiven Gasen wie Erdgas beimischt, um Leckagen schnell zu erkennen. Chemische Tracer besitzen ähnliche oder sogar die gleichen chemischen Eigenschaften wie die zu verfolgenden Substanzen. Solche sind z.B. die so genannte Leitisotope oder Isotopenindikatoren. Bei den Isotopen kann es sich um stabile Teilchen (wie z. B. Deuterium, 13C, 15N oder 17O) oder um Radioisotope (wie z. B. Tritium, 14C oder 18F)handeln.

wekstoffpruefung_tracer_luftaustausch_11.png © Ulrich J. Schrewe-FH-Hannover
Abb. 1 Luftaustauschmessung bei einem Auto in Abhängigkeit von der Fahrtgeschwindigkeit.
Luftaustauschmessung bei einem Auto
Luftaustauschmessung bei einem Auto in Abhängigkeit von der Fahrtgeschwindigkeit.
Man gibt ein radioaktives Gas, z.B.85Kr in den Wagen und misst die Aktivität und deren Abnahme in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit.

wekstoffpruefung_tracer_durchmischung_10.png © Ulrich J. Schrewe-FH-Hannover
Abb. 2 Man injiziert für eine kurze Zeit einen Tracer in den Einlauf des Gefäßes und misst die Aktivität sowohl am Gefäßeingang (Detektor 1) als auch am Gefäßausgang (Detektor 2).
Durchmischung in einem durchströmten Behälter (z.B. dem Zylinder eines Motors).

Man injiziert für eine kurze Zeit einen Tracer in den Einlauf des Gefäßes und misst die Aktivität sowohl am Gefäßeingang (Detektor 1) als auch am Gefäßausgang (Detektor 2). Aus dem zeitlichen Abstand der beiden Signale und dem Kurvenverlauf des Ausgangssignals kann man sowohl die Durchflussgeschwindigkeit als auch die Form der Durchmischung im Behälter ermitteln.

werkstoffpruefung_tracer_lecksuche.svg
Abb. 3 Die Pipeline wird mit einem Detektor abgefahren, welcher den Tracer registriert.
Lecksuche bei einer Pipeline oder Wasserleitung

Man injiziert über einen Tracer in die Leitung und misst die Aktivität längs der Leitung. Dort wo die Aktivität stark ansteigt muss das Öl, Gas oder. Wasser ausgetreten und zu verstärkter Aktivität geführt haben. Dort kann man ausgraben und findet hoffentlich das Loch.

Markieren verschiedener Öl- oder Gassorten in einer Pipeline

Mit radioaktiven Tracern kann man beispielsweise die Grenze zwischen verschiedenen Ölsorten in einer Ölpipeline markieren: Man spritzt einer Ölsorte in einer Pipeline radioaktives Material hinzu und erhält so einen radioaktiv markierten Abschnitt. Diesen Abschnitt registrieren Strahlungsdetektoren in der Pipeline, sobald die markierte Grenzfläche einen ausgewählten Punkt passiert. Der Messabschnitt liegt zweckmäßigerweise kurz vor der Stelle, wo die beiden Ölsorten zusammentreffen. Die Detektoren aktivieren dann Regelventile, wodurch die beiden verschiedenen Ölsorten zu unterschiedlichen Abflüssen weitergeleitet werden.

Verschleißmessungen

Beim Motorentest und beim Test geeigneter Schmiermittel werden Radionuklide eingesetzt, um den Verschleiß im mikroskopischen Bereich aufzuspüren. Dazu werden die Ventildichtungen und/oder die Kolbenringe in einem Kernreaktor mit Neutronen bestrahlt, wodurch an der Oberfläche stabile Eisenatome zu radioaktiven Eisenisotopen werden. Nach relativ kurzer Betriebsdauer des Motors kann das vom Kolbenring abgetragene radioaktive Material im Öl in einer Filteranlage nachgewiesen werden. Die Menge des abgetragenen Materials wird dann zur Bewertung der Motorfestigkeit und Ölqualität herangezogen.

Isotopen Batterie

isotopenbatterie_10.svg
Abb. 1 prinzipieller Aufbau einer Isotopen-Batterie
Die Energie radioaktiver Strahler wird in der sonnenfernen Raumfahrt und bei Herzschrittmachern in Form von sogenannten Isotopenbatterien verwendet. Wird die von einem Radionuklid emittierte Strahlung in ihrer Umgebung absorbiert, so führt dies zu deren Aufheizung. In den Radionuklid- oder Isotopenbatterien nutzt man den entstehenden Temperaturunterschied zum Betrieb eines Thermoelements. Die heute verwendeten Modelle wandeln dabei die Wärmeenergie mit einem Wirkungsgrad von maximal 5 % in elektrische Energie um. Bei radioaktiven Zerfallsprozessen ist die frei werdende Energie weniger als 100 keV/u. Für Isotopenbatterien mit relativ gleichbleibender Leistung braucht man Radionuklide mit relativ großer Halbwertszeit, die pro Zerfall möglichst viel Energie liefern und nur eine geringe Abschirmung benötigen. Vorteilhaft sind daher α-Strahler wie 238Pu, 244Cm und 210Po. β-Strahler wie 144Ce und 90Sr sind zwar als Abfallprodukte der Kernspaltung billiger, sind aber schlechter abschirmbar.

Das wichtigste Nuklid für Isotopenbatterien ist 238Pu, da es mit einer Halbwertszeit von 86,4 Jahren beim Zerfall nur α-Strahlen emittiert und mit nur sehr geringer Wahrscheinlichkeit spontan zerfällt. Man kann es also leicht abschirmen.
238Pu wird heute in kg-Mengen über die Reaktionen
\[{}_{93}^{237}{\rm{Np}} + {}_0^1{\rm{n}} \to {}_{93}^{238}{\rm{Np}} + \gamma  \to {}_{94}^{238}{\rm{Pu}}+{}_{ - 1}^0{\rm{e + }}\bar \nu \]
und in geringeren Mengen über
\[{}_{95}^{241}{\rm{Am}} + {}_0^1{\rm{n}} \to {}_{95}^{242}{\rm{Am}} + \gamma  \to {}_{96}^{242}{\rm{Cm}} + {}_{ - 1}^0{\rm{e + }}\bar \nu  \to {}_{94}^{238}{\rm{Pu}} + {}_2^4{\rm{He}}\]
gewonnen.
Als Nebenprodukt der Neptuniumbestrahlung entsteht durch Neutronen höherer Energie (über 6,27 MeV) auch 236Pu, in dessen Zerfallskette ein starker Gammastrahler (208Tl) auftritt. Das durch Bestrahlung von 241Am aktiv erzeugte bzw. durch Zerfall aus dem bei der Wiederaufarbeitung abgetrennten Curium entstehende  238Pu enthält kein störendes 236 Pu, der aufwendigeren Herstellung wegen ist es aber auch wesentlich teurer. Daher wird es nur für spezielle Zwecke (z. B. für nukleare Herzschrittmacher mit ca. 150 mg 238PuO2 pro Einheit) eingesetzt.

Abb. 2 Das Lunar Surface Experiment wurde über eine Isotopen-Batterie (Bildmitte) mit Energie versorgt.
Sämtliche im Rahmen des Apolloprogramms benutzten Isotopenbatterien enthielten 238PuO2  als Energiequelle. SNAP-27 (Bild links) mit ca. 4 kg 238PuO2 lieferte bei 1480 Wth  eine elektrische Leistung von ca. 60 W. Seit 1968 beim Fehlstart einer Rakete eine ungeschützte Pu-Isotopenbatterie in der Erdatmosphäre verglühte, wurden Hitzeschilde angebracht, um das in Zukunft zu verhindern. Für die Erforschung der äußeren Planeten unseres Sonnensystems sind Pu-Isotopenbatterien die bisher einzige, zuverlässige Energiequelle.

Neutronenaktivierungsanalyse

Bei der NAA wird eine Probe von nur wenigen μg dem Neutronenstrom eines Kernreaktors ausgesetzt. Die Neutronen reagieren mit den Kernen der Probe und machen aus den stabilen Isotopen radioaktive Isotope, deren Massenzahl eins höher ist als die Massenzahl des stabilen Isotops. Bei diesem ersten Kernprozess wird ein promptes γ -Quant ausgesandt, dessen Energie man messen kann und das Auskunft über den Ausgangskern gibt. In den meisten Untersuchungen wird aber erst der Zerfall des entstandenen radioaktiven Kerns zur Analyse verwendet. Es zerfällt anschließend mit der für ihn typischen Halbwertzeit unter Aussendung eines Betateilchens und charakteristischer Gammastrahlung , die in einem Gammaspektrometer untersucht wird. Auf diese Weise sind praktisch 70 % aller vorkommenden Elemente in einer Probe quantitativ und qualitativ nachweisbar.

neutronenaktivierungsanalyse.svg
Abb. 1 Prinzip der Neutronenakivierungsanalyse.

Aus den bekannte Eigenschaften der Atomkerne lassen sich die Gehalte der Elemente, ja sogar ihrer Isotope bestimmen. Eine Auskunft über die chemischen Bindungsverhältnisse bekommt man aber nicht, da sich diese Prozesse unabhängig von der Einbindung des Atoms in irgendwelche chemische Verbindungen abspielen.

Der qualitativen Nachweis einzelner Elemente kann vorgenommen werden durch:
a) chemische Trennung nach der Bestrahlung
b) Messung der verschiedenen Halbwertszeiten
c) γ-spektroskopische Messung der Zerfallsstrahlung


Die Verfahren b) und c) sind dabei die am meisten und in Kombination miteinander angewandten Verfahren.
Die quantitative Bestimmung wird durch die Bestrahlung von Vergleichsproben unter den gleichen Bedingungen oder mit geeigneten kernphysikalischen Kalibrierverfahren vorgenommen.

Beispiele zweier Proben bei sehr unterschiedlichen Energiebereichen und unterschiedlich langen Bestrahlungszeiten.

neutronenaktivierungsanalyse_20.png © Missouri University Research Reactor
Abb. 2 Die erste Probe (Ein Tonstück) wurde 25 Minuten nach einer Bestrahlung von 5 s Dauer 12 Minuten lang in einem Gammaspektrographen untersucht.
neutronenaktivierungsanalyse_30.png © Missouri University Research Reactor
Abb. 3 Die zweite Probe (Ein Tonstück) wurde 9 Tage nach einer Bestrahlung von 24 h Dauer 30 Minuten lang in einem Gammaspektrographen untersucht.

 

Feuer- und Rauchmelder

Als erste "Rauchmelder" dienten zwei Vögel, die im Brandfall mit Rauchvergiftung von der Stange fielen und mit ihrem Körpergewicht den Alarm auslösten. Diese "Zwei-Vögel-Abhängigkeit" sollte einem Fehlalarm durch natürlichen Vogeltod vorbeugen.
Aus Rauchmeldergeschichte von Detlef Solasse (Link inzwischen verwaist)

Die ersten technischen Rauchmelder waren Ionisationsmelder.
Sie bestehen aus zwei Kammern, der offenen Messkammer und der geschlossenen Referenzkammer. In diesen Kammern wird die Luft durch ein radioaktives Element ionisiert. In den Kammern befinden sich je zwei Elektroden. Durch Anlegen einer Gleichspannung stellt sich ein definierter Strom ein. Tritt Rauch in die Messkammer ein, lagern sich die Ionen an den Rauchpartikeln ab. Die schwereren Rauchpartikel bewegen sich langsamer als die Luftmoleküle. Dadurch wird der Strom geändert. Im Vergleich mit der Referenzkammer ändert sich der Strom. Überschreitet diese Stromschwankung einen definierten Schwellenwert, wird ein Alarm ausgelöst.

Der Vorteil der Ionisationsrauchmelder liegt in ihrem fast universellen Einsatzgebiet. Sie erkennen sowohl nicht sichtbare Aerosole, wie sie bei einem offenen Feuer auftreten, als auch große Rußpartikel, wie sie bei einem Schwelbrand auftreten.
Nachteilig im Umgang mit diesen Meldern ist die erforderliche Beachtung der Strahlenschutzverordnung. Von den Meldern wird zwar nur äußerst wenig Radioaktivität ausgesandt - gewerbliche Verarbeiter müssen aber trotzdem Kenntnisse der Strahlenschutzverordnung nachweisen und im Brandfall muss die Feuerwehr zusätzlich zu ihren Löschaufgaben auf radioaktive Kontamination achten. Auch die Entsorgung dieser Rauchmelder ist, da radioaktiver Sondermüll sehr kostenintensiv, so dass diese Rauchmelder heute immer weniger Verwendung finden.

Lumineszenzlicht

Kurz nach dem Ersten Weltkrieg begann die schweizerische Uhrenindustrie durch Beigabe von radioaktiven Substanzen zu Zinksulfidkristallen einen leuchtenden Farbstoff herzustellen. Die Uhren konnten somit auch im Dunkeln ohne elektrische oder mechanische Eingriffe abgelesen werden. Als Strahler wurden vor allem 226Ra, 147Pm verwendet. Heute verwendet man hauptsächlich den sehr schwachen Betastrahler Tritium, der in allen Ländern erlaubt ist, während die Zulassung für Radium und Promethium sehr unterschiedlich gehandhabt wird.

Füllstandsmessung

fuellstandsmessung_radioaktiver_strahler.png © Prof. Ulrich J. Schrewe (FH-Hannover)
Abb. 1 Füllstandsmessung mit radioaktivem Strahler, prinzipieller Aufbau
Insbesondere an schwer zugänglichen Behältern eignet sich zur Bestimmung des Füllstandes eine Strahlungsquelle, die einen Behälter durchstrahlt, an dessen gegenüberliegender Seite ein Detektor angebracht wird. Aus der am Detektor ankommenden Strahlung kann man den Füllstand ablesen. Auf Grund der hohen Auflagen an Sicherheitsvorkehrungen und Personalausbildung bei Verwendung von Strahlern werden solche Vorrichtungen nur mehr selten verwendet.

Dichtemessung

Zur Bestimmung der Dichte einer Flüssigkeit in Rohrleitungen verwendet man in der chemischen Industrie, der Petrochemie, der Lebensmittelchemie, bei Molkereien und Brauereien ebenfalls Strahler.

Dichte und Feuchtigkeitsbestimmung von Boden
Mit einem kombinierten Rückstreumessgerät für Gammastrahlung (Dichte) und Neutronenstrahlung (Wassergehalt) können Bodenverältnisse überprüft werden.
Im Neutronendetektor werden nur durch Stöße mit Wasserstoffatomen verlangsamte Neutronen registriert.