Pottasche: Katastrophenschutz-Kalibrierung

[NoLi]

Ich hatte mir eine Kalibrierquelle mit 1g KCL auf einer Fläche von 100 cm2 ( 10cm x 10cm) gebaut.
Pappe mit doppelseitigem Klebeband, KCL möglichst gleichmäßig verteilt und mit sehr dünner Frischhaltefolie abgedeckt.
Das Teil sollte wohl 16 Bq haben, also einseitig 8 Bq.
Also 0,08 Bq/cm2.
Ich hoffe ich habe mich nicht verrechnet.
Nun habe ich mit einem Selbstbauzähler (400V) und einem Flächenzählrohr SBT10 getestet.
Das Zählrohr liefert bei mir im Bastelkeller (ca. 0,1 μSv/h) ca. 112 CPM.
Mit der KCL Quelle 193 CPM.
Also netto 81 CPM.
Ist diese Messung, bzw. Betrachtung hilfreich?

Ein Gramm KCL besitzt eine Aktivität von 16,6 Bq Beta-Gamma-Aktivität, der reine Betaanteil (89,5%) beträgt 14,8 pro Sekunde. Somit emittiert deine Quelle pro Seite 7,4 Beta-Teilchen/Sekunde.
https://www.bmuv.de/fileadmin/Daten_BMU/Download_PDF/Strahlenschutz/strlsch_messungen_aequival_kalaequ.pdf
https://www.bmuv.de/fileadmin/Daten_BMU/Download_PDF/Strahlenschutz/strlsch_messungen_aequival_gehalt.pdf

Du hast eine K-40 Quelle von 10 mg/cm² (= 0,166 Bq/cm²). Unterhalb von 15 mg/cm² kann man eine Selbstabsorption von Beta-Teilchen im KCl vernachlässigen.

Irgendwo muss noch ein Denkfehler sein.
Wenn 8 Bequerel 80 CPM erzeugen, dann sollten 400 Bq 4000 CPM machen!
Kann das sein

1000 mg KCl haben eine K-40 Aktivität = 16,6 Bq. Somit entsprechen 400 Bq = 24.096 mg KCl oder aufgerundet 24,1 Gramm; verteilt auf 100 cm² = 241 mg/cm², entsprechend einer Beta-Gamma-Aktivität von 4 Bq/cm². Da die spezifische Flächenmasse zur Vernachlässigung der Selbstabsorption von 15 mg/cm² aber deutlich überschritten wird, tritt hiermit auch eine deutliche Selbstabsorption von Beta-Teilchen im KCl auf...bedeutet, dass die Zählrate CPM auch deutlich kleiner 4.000 betragen wird.

Norbert

[DL8BCN]

Danke für deine Hilfe, Norbert!
Damit ich nun mal neu messen kann, würde ich mir eine neue Kalibrierquelle mit 24,1g KCL verteilt auf einer 10cm x 10cm Fläche herstellen.
Dann mit dem SBT10A noch mal in direktem Kontakt, getrennt nur durch eine Frischhaltefolie getrennt messen.
Dann weiß ich, wie viel Impulse pro Minute das Zählrohr bei 400 Bequerel zählt.
Ungenau wird das ganze durch die Selbstabsorption.
Das kann ich nicht einschätzen, welchen Korrekturfaktor man da einrechnen muss.
Umgehen könnte man das Problem mit der Selbstabsorption ja wohl nur durch eine wesentlich dünnere Schicht Salz. Oder ein wesentlich größeres Zählrohr.
Norbert, hattest du es berücksichtigt, daß der Wert evtl. Durch 2 geteilt werden muss, wegen der Vorder- und Rückseite der Kalibrierquelle?

[NoLi]

...
Umgehen könnte man das Problem mit der Selbstabsorption ja wohl nur durch eine wesentlich dünnere Schicht Salz. Oder ein wesentlich größeres Zählrohr.
Norbert, hattest du es berücksichtigt, daß der Wert evtl. Durch 2 geteilt werden muss, wegen der Vorder- und Rückseite der Kalibrierquelle?

Nur mit einer dünneren Schicht KCl, eben max. 15 mg/cm².
Bq bedeutet Zerfall pro Sekunde. Dabei werden die emittierten Teilchen in alle Raumwinkel "geschossen". Ohne Selbstabsorption kann man von rund 50% in die eine, 50% in die andere Seite ausgehen. Wenn aber Selbstabsorption auftritt, wird dieser Emissionswert pro Seite kleiner 50% betragen. Wieviel   Das hängt von der KCl-Schichtdicke ab.
Daher auch die entsprechenden Messungen am 30 Gramm Pottasche-Tütchen von Müllers ---> Beitrag #3 vom 27.11.2019 und #14 vom 29.11.2019 . Hier allerdings mit Kaliumcarbonat.

Kaliumcarbonat: 17,2 Bq/g
Kaliumchlorid:    16,6 Bq/g
Also ziemlich ähnliche spezifische Aktivität.

Norbert

[DL8BCN]

Hallo, dieser Thread ist ja nun schon sehr lang geworden und es wird schwer zwischen den ganzen Zahlen die relevanten Berechnungen zu finden.
Außerdem rechnen manche auch mit Gamma-Aktivitäten was ich gar nicht nachvollziehen kann.
Noch mal für Dumme:
Ich habe jetzt mit meinem SBT10A 30g Pottasche vermessen.
Fläche der Quelle ist 10cmx8cm.
Bei 17,2 Bq pro Gramm sind das gesamt 516 Bq.
Also einseitig 258 Bq.
Geteilt durch die Fläche (80cm2) ergibt das 3,225 Bq pro cm2.
Warum wird dann mit 1,2 Bq/cm2 gerechnet?
Das SBT10 macht in meinem Fall 103 CPM Background.
Mit den 30g Pottasche sind es 917 CPM.
Macht Netto 814 CPM also ca. 13,56 CPS.
Also entsprechen 13,56 CPS 3,225 Bq/cm2.
Hier geht es ja um eine Hochrechnung auf 400 Bq/cm2 wie sie im Katastrophenschutz Anwendung findet.
Also sollte mein SBT10A 1682 CPS machen bei 400 Bq/cm2.
Ich bin nicht gut in Mathe und habe manchmal einen Knoten im Gehirn.
Könnte mal jemand meine Rechnung überprüfen und korrigieren?
Mir geht es darum, dieses Thema einmal mit einer nachvollziehbaren Beispielrechnung zu schließen.
Danke, Rainer

[etalon]

...
Macht Netto 814 CPM also ca. 13,56 CPS.
Also entsprechen 13,56 CPS 3,225 Bq/cm2.
...

Nein, 13,56 cps entsprechen 516 Bq. Pro Sekunde zerfallen im Mittel in den 30 g Pottasche 516 K-40 Atome. Davon detektierst du 13,56 Ereignisse. Das entspricht dann einem Wirkungsgrad der Messung von 13,56/516=0,026 was 2,6% entspricht. Wenn du das auf cm^2 herunterrechnen willst, dann sind das 13,56 cps/80 cm^2=0,17 cps/cm^2... (zumindest, wenn du nur die Betas rechnest. Wenn du auch noch Gammaquanten mit rechnest, dann wird der Wirkungsgrad noch etwas schlechter...gilt hier nicht bei K-40, aber bei den meisten anderen Nukliden, wenn der Gammaübergang die Folge eines Teilchenzerfalls ist.)

Ganz grundsätzlich kann die Anzahl der cps nicht mehr sein, als die Aktivität. Sonst hätte dein Messaufbau einen Wirkungsgrad >100%. Dann bekommst du nen Physik-Nobelpreis... 

[DL8BCN]

Ach ja logisch , mein Detektor ist ja nicht nur 1cm2 groß sondern bedeckt im günstigsten Fall die gesamten 80cm2.
Mir fehlt bei den Betrachtungen immer, daß ich nur einseitig messe.
Mal ganz abgesehen von der Selbstabsorption der Pottasche.
Also gehen in Richtung des Detektors doch nicht die 516 Bq sondern nur die Hälfte also 258 Bq.
Oder was ist da nun wieder falsch?
Das SBT10A soll laut Datenblatt einen Wirkungsgrad von ca. 0,35 für Beta haben.
Mir geht es ja auch immer darum umzurechnen, wie viel CPM (oder CPS) ein spezielles Zählrohr bei 400 Bq ausgibt.
Wenn man ganz dumm rechnet, müsste das in meinem Fall ja 400 Bq mal 0,35 = 140 CPS sein.
Nur als grober Richtwert.
Ich hatte es so verstanden, daß es um die behelfsmäßige Kalibrierung unserer Ausrüstung geht.
Das SBT10A ist ja prinzipiell gut als Kontaminationsmonitor zu gebrauchen.

[etalon]

Ach ja logisch , mein Detektor ist ja nicht nur 1cm2 groß sondern bedeckt im günstigsten Fall die gesamten 80cm2.
Mir fehlt bei den Betrachtungen immer, daß ich nur einseitig messe.
Mal ganz abgesehen von der Selbstabsorption der Pottasche.
Also gehen in Richtung des Detektors doch nicht die 516 Bq sondern nur die Hälfte also 258 Bq.
Oder was ist da nun wieder falsch?
...

Es gehen noch nicht mal 258 Bq in Richtung deines Detektors. Das gilt streng genommen nur für eine Atomlage dünne Schichten. Aber es ist ja nicht nur der erfasste Raumwinkel relevant. Selbstabschirmung, Abschirmung in vorgelagerten Strukturen, Oberflächenbeschaffenheit und Messgeometrie spielen da eine erhebliche Rolle. Daher liegt der Gesamtwirkungsgrad deiner Messung deutlich unter dem, was du wahrscheinlich erwartet hast.

...
Das SBT10A soll laut Datenblatt einen Wirkungsgrad von ca. 0,35 für Beta haben.
...

Ich kenne das Zählrohr nicht, aber diese Angabe beschreibt nur den Wirkungsgrad des Zählrohres an sich. Das heißt, wie viele Betateilchen, welche das aktive Zählrohrvolumen erreichen, werden denn auch nachgewiesen. Da sind alle anderen Faktoren nicht berücksichtigt und kommen noch dazu. Daher ist der Wirkungsgrad einer Messung immer deutlich kleiner als der des Zählrohres an sich.

Daher stimmt auch diese Rechnung:

...
Wenn man ganz dumm rechnet, müsste das in meinem Fall ja 400 Bq mal 0,35 = 140 CPS sein.
...

nicht.

Wo kommen denn die 400 Bq her? Machen die als absolute Aktivität überhaupt Sinn, oder sind die auf irgend etwas bezogen? Müsste das nicht bei einer Oberflächenkontamination flächenspezifisch 400 Bq/cm^2 sein? 

P.S.: Ist das ein Proportionalzählrohr oder ein Geiger-Müller-Zählrohr?

[etalon]

...
Mir fehlt bei den Betrachtungen immer, daß ich nur einseitig messe.
Mal ganz abgesehen von der Selbstabsorption der Pottasche.
Also gehen in Richtung des Detektors doch nicht die 516 Bq sondern nur die Hälfte also 258 Bq.
Oder was ist da nun wieder falsch?
...

Vielleicht nochmal ganz grundsätzlich, da es hier glaube ich noch Verständnisprobleme gibt:

Das Messgerät wird kalibriert, damit es unter definierten Bedingungen eine Aktivität richtig ausgibt, obwohl es von eben dieser vorhandenen Aktivität aus verschiedensten Gründen eben nicht alles sieht.

Würde dein Messgerät jeden Zerfall detektieren, hätte es einen Wirkungsgrad von 100% und jeder Impuls/s entspräche einem Bq Aktivität. Da das aber, wie du schon festgestellt hast, nicht der Fall ist, und das Messgerät aus verschiedensten Gründen deutlich weniger Impulse/s anzeigt, als tatsächliche Aktivität vorhanden ist, muss dieses messtechnische Defizit rechnerisch kompensiert werden.

Das macht man, indem man eine bekannte Aktivität unter definierten Bedingungen misst und dann diese bekannte Aktivität mit den gemessenen Ips ins Verhältnis setzt. Das Ergebnis ist der Wirkungsgrad für diese Messanordnung. Daraus errechnet sich dann ein Kalibrierfaktor, welcher der Kehrwert des Wirkungsgrades ist. Man multipliziert dann einfach die angezeigten Ips mit dem KF und erhält die tatsächlich vorhandene Aktivität in Bq (geht natürlich auch spezifisch pro cm^2/g/Probe, etc.).

Damit ist eigentlich auch klar, dass vor allem bei der Messung einer Teilchenstrahlung (Oberflächenkontamination) auch alle Parameter wirklich äquivalent zur Kalibrierfaktorbestimmung sein müssen, damit dann auch die resultierende Aktivität passt. Und da machen bei Teilchenstrahlungsmessungen halt schon kleinste Abweichungen recht große Fehler in der Aktivität, was die Messung dann sehr anspruchsvoll macht, so denn eine gewisse Genauigkeit gefordert ist. Anders herum werden leider auch sehr oft mit Angaben von Messwerten Genauigkeiten vorgetäuscht, welche aufgrund des Messablaufs niemals zutreffend sein können...

Ich hoffe, das hilft etwas weiter.

[NoLi]

Nochmal Schritt für Schritt, wie man zu diesem Wert "1,2 Bq/cm²" kommt.

- Wir nehmen ein professionelles Kontaminationsmessgerät mit Proportionaldetektor und einen zertifizierten Beta-Referenzgroßflächenstrahler mit Sr-90/Y-90 und/oder Cl-36. Das Radionuklid des Referenzstrahlers befindet sich eingebracht in einer Eloxalschicht auf dünner Aluminiumfolie. Die Strahlergröße ist kleiner oder gleich dem Detektorfenster.

- Der Zählwirkungsgrad des Kontaminationsmessgerätes wird (vereinfacht) bestimmt, in dem die durch den Referenzstrahler am Messgerät erzeugte Impulsrate IPS (Impulse/Sek) durch die Strahleraktivität Bq (Anzahl der Zerfälle/Sek) dividiert wird. Wir erhalten ein Ergebnis < 1 (z.B. 0,33). Dies bedeutet, jeder Zerfall/Sek. erzeugt eine Impulsrate von 0,33 Imp/Sek. Wenn diese beispielhaften dimensionslosen 0,33 mit 100 multipliziert werden, erhält man ein Ergebnis in %, in unserem Beispiel  0,33 x 100 = 33 %. Das würde bedeuten, 33 % der in jeder Sekunde an einer Oberfläche unterhalb der Detektorfläche zerfallenden Atomkerne registriert mein Kontaminationsmessgerät.

- Nun wird mit diesem frisch kalibrierten Kontaminationsmessgerät die Impulsrate IPS (Imp/Sek) der von einer Seite unseres Pottaschetütchens emittierten Betateilchen bestimmt, wir erhalten ein Ergebnis im IPS. Da wir nun wissen, dass diese ermittelte IPS-Anzahl hier beispielhafte 33 % der Zerfälle/Sek beträgt, muß die Anzahl der Zerfälle (=100 %) unter der Detektorfläche dreimal so hoch sein wie die Impulse/Sek.

- Jetzt nehmen wir das Pottaschetütchen, verteilen durch Schütteln den Inhalt möglichst gleichmäßig und tun so, als ob die aus seiner einseitig emittierten Betateilchenanzahl von einer oberflächig dünnschichtig kontaminierten planen Oberseite kommt.

- Wir messen mit dem kalibrierten Kontaminationsmessgerät die Impulsrate IPS (Imp/Sek) einer Seite des Pottaschetütchens und verrechnen diesen Wert mit dem tatsächlichen ermittelten Kalibrierfaktor zu einer  "Oberflächenaktivität" in Bq (Zerfälle/Sek). Dieses Ergebnis, dividiert durch die einseitige tatsächliche Tütchenoberfläche (cm²), ergibt eine (scheinbare) flächenspezifische "Oberflächenaktivität" in Bq/cm² (Zerfälle/Sek x cm²). Die in der Pottasche wegen der Selbstabsorption absorbierten und somit nicht aus dem Tütchen austreten könnenden Betateilchen bleiben hier unberücksichtigt und wir tun so, als gäbe es sie nicht!

- Mit diesem Verfahren kommen wir bei den Pottaschetütchen auf eine (scheinbare) "Oberflächenaktivität" Beta von ~ 1,2 Bq/cm² und können jetzt mit anderen Detektoren/Messgeräten, von denen wir den Beta-Wirkungsgrad nicht kennen, Vergleichsmessungen durchführen. Voraussetzung: der Detektor ist nicht größer als das Pottaschetütchen; sollte er größer sein, muß die Tütchenfläche angepasst werden (mehrere Tütchen nebeneinander/nacheinander).


Wie erwähnt, stellt diese Pottascheanwendung keine Kalibrieranwendung im Sinne von DIN und DIN/ISO Normen dar, sondern soll ein für jedermann zugängliches Hilfsmittel zur angenäherten Beurteilung einer Oberflächenkontamination und des Messgerätes darstellen, insbesondere auch unter Notstandsbedingungen.

Norbert

[DL8BCN]

Hallo, ja, die 400 Bq/cm2 , da hatte ich die cm2 unterschlagen, sorry.
Das soll doch der Grenzwert sein, der noch gerade im Katastrophenfall akzeptiert werden kann.
Das ist ja ganz am Anfang von dieser Diskussion mal besprochen worden.
 

[NoLi]

Hallo, ja, die 400 Bq/cm2 , da hatte ich die cm2 unterschlagen, sorry.
Das soll doch der Grenzwert sein, der noch gerade im Katastrophenfall akzeptiert werden kann.
Das ist ja ganz am Anfang von dieser Diskussion mal besprochen worden.
 

Ja, dieser Grenzwert gilt noch, er soll aber auf Empfehlung der Strahlenschutzkommission SSK auf 100 Bq/cm² (für Personen und Gegenstände) reduziert werden. Diese Empfehlungen sind gerade in der politischen Ausschüsse-Diskussion zur Umsetzung.

Norbert

[etalon]

Nochmal Schritt für Schritt, wie man zu diesem Wert "1,2 Bq/cm²" kommt.
...
- Mit diesem Verfahren kommen wir bei den Pottaschetütchen auf eine (scheinbare) "Oberflächenaktivität" Beta von ~ 1,2 Bq/cm² und können jetzt mit anderen Detektoren/Messgeräten, von denen wir den Beta-Wirkungsgrad nicht kennen, Vergleichsmessungen durchführen. Voraussetzung: der Detektor ist nicht größer als das Pottaschetütchen; sollte er größer sein, muß die Tütchenfläche angepasst werden (mehrere Tütchen nebeneinander/nacheinander).
...

Das hatte ich schon verstanden, du gibst mit deiner Messung das Oberflächenaktivitätsäquivalent für das Pottaschetütchen an. Den Wirkungsgrad des individuellen Messgerätes ermittelt man aber wie von mir oben beschrieben. Dabei ist wichtig, dass für die Berechnung der Referenzaktivität aus dem Oberflächenaktivitätsäquivalent nur die tatsächliche Zählrohrfläche mit den 1,2 Bq/cm^2 multipliziert wird, wenn das Zählrohr kleiner/gleich dem Pottaschetütchen ist. Wenn das Zählrohr größer als das Pottaschetütchen ist, dann darf halt maximal die Fläche des Pottaschetütchens in die Berechnung eingehen. Dann reicht auch ein Tütchen, egal wie groß der Detektor ist.

Da du deine Referenzmessung mit einem echten Dünnschichtstrahler gemacht hast, und die Aktivität von 30g Pottasche auch hinreichend genau bekannt ist, könnte man jetzt theoretisch auch ausrechnen, was die Abweichungen in Schichtdicke und Abschirmung vorgelagerter Strukturen, sowie der Messgeometrie bei der Pottasche im Vergleich zu einer echten Oberflächenkontamination wäre. Das ist ziemlich sicher einiges...

400 Bq/cm^2 ist aber abhängig vom Nuklid schon eine ganz schöne Hausnummer! 

[DL8BCN]

Vielen Dank nochmal für die wiederholten Erklärungen!
Ich finde das Thema super interessant, hätte aber nicht gedacht, daß das Ganze doch so komplex ist.
Ich hatte gehofft, die Zusammenhänge schneller zu durchblicken.
Es ist für mich aber schon beeindruckend, wie so eine kleine Menge K40 das SBT10A zum knattern bringt

[DL8BCN]

@ Etalon: Das SBT10A ist ein Flächenzählrohr mit Glimmerfenster und besteht im Grunde genommen aus 10 Einzelzählrohren in einem rechteckigen Gehäuse.
Zum SBT10 gibt es hier an anderer Stelle schon viele Informationen.

[NoLi]

...
Das hatte ich schon verstanden, du gibst mit deiner Messung das Oberflächenaktivitätsäquivalent für das Pottaschetütchen an.
...

Oberflächenaktivitätsäquivalent Genau dies ist der Begriff, nach dem ich vergeblich in meinen Synapsen gesucht hatte...

...
Da du deine Referenzmessung mit einem echten Dünnschichtstrahler gemacht hast, und die Aktivität von 30g Pottasche auch hinreichend genau bekannt ist, könnte man jetzt theoretisch auch ausrechnen, was die Abweichungen in Schichtdicke und Abschirmung vorgelagerter Strukturen, sowie der Messgeometrie bei der Pottasche im Vergleich zu einer echten Oberflächenkontamination wäre. Das ist ziemlich sicher einiges...
...

Wir wollen es doch nicht übertreiben und dies im Bereich Citizen Science für Jedermann möglichst pragmatisch durchführbar halten.

...
400 Bq/cm^2 ist aber abhängig vom Nuklid schon eine ganz schöne Hausnummer! 

Stimmt, aber dieser Wert basiert auf den Empfehlungen der WHO und der IAEA nach den Erfahrungen von Tschernobyl und Fukushima mit den daraus resultierenden Dosiswerten. Aber es ist ja eine Reduktion auf 100 Bq/cm² in Arbeit.

Norbert