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Dienstleistung Alphaspektrometrie

Charakterisierung von Aktivitätsnormalen unter definierten Raumwinkeln

PTB-News 2.2016
05.04.2016
Besonders interessant für
  • Strahlenschutz
  • Halbleiterindustrie
  • Radionuklid-Industrie
  • Metrologieinstitute

Bislang wird die metrologische Charakterisierung von Alphastrahlern nur in wenigen nationalen Metrologieinstituten angeboten, da die Herstellung der Quellen und die charakterisierende Messtechnik sehr aufwendig sind. In der PTB ist nun die Bestimmung der Aktivität offener Alphateilchen emittierender radioaktiver Quellen in das Dienstleistungsangebot aufgenommen worden. Derartige Aktivitätsnormale können ab sofort mit verbesserter Charakterisierung an Kunden abgegeben werden. Zur Charakterisierung der Quellen wird eine α-Spektrometrie unter definiertem Raumwinkel – eine Absolutmethode – verwendet. Aktuell werden relative Standard-Messunsicherheiten von 0,3 % erreicht.

Gegenwart und Zukunft der Alphaspektrometrie unter definiertem Raumwinkel: Rechts im Bild der gegenwärtige Aufbau mit Quellenhalterung und Blendensystem bis hin zu dem Detektor. Im Messbetrieb befindet sich der Detektor bündig an der Austrittsöffnung des Blendensystems. In der linken Bildhälfte der zukünftige Detektor. Das zugehörige Blendensystem nebst Quellenhalterung und Vakuumkammer befinden sich im Bau.

Impulshöhenspektrum (Ereignisse über Kanälen) in logarithmischer Darstellung einer Americum-241-Quelle. Man sieht die Zuordnung der einzelnen Übergänge des Alphazerfalls von Americium (Peak 1 bis Peak 7), aber auch die Verunreinigung durch Pu-238, Pu-239 und Pu-240 (Peak 11 bis Peak 18). Da es sich um eine Absolutmethode handelt, ist es erforderlich, jedes Ereignis einem radioaktiven Zerfall zuzuordnen. Im unteren Teil ist das Residuum dargestellt. Mit der spektrometrischen Auswertung lassen sich sowohl die Aktivitäten von Isotopengemischen als auch radioaktive Verunreinigungen (in diesem Beispiel die Plutonium-Isotope) quantitativ bestimmen.

Emissionsraten und Aktivitäten radioaktiver Quellen alphastrahlender Nuklide werden über die Messung der pro Zeit auf einen Detektor mit bekanntem Raumwinkel auftreffenden Alphateilchen bestimmt. Diese Art der Aktivitätsbestimmung ist eine Absolutmethode in dem Sinne, dass zur Bestimmung aller notwendigen Kalibrierfaktoren nur Messungen notwendig sind, die auf den Basiseinheiten unseres Einheitensystems beruhen. Das sind in diesem Falle Zeit- und Längenmessungen.

 

Die erreichbare Messunsicherheit für eine Aktivitätsbestimmung mit diesem Messverfahren ist also wesentlich bestimmt durch die Genauigkeit, mit welcher der Geometriefaktor des benutzten Spektrometers berechnet werden kann. Für dessen Berechnung ist auch die quantitative Kenntnis der relativen Aktivitätsverteilung als Funktion des Ortes auf der Quellenoberfläche notwendig. Sie wird mit einem digitalen Radiografiesystem gemessen. Der Geometriefaktor wird dann mithilfe einer Monte-Carlo- Simulation berechnet, in die die Abmessungen des benutzten Blendensystems und die gemessene Aktivitätsverteilung eingehen. Die Messeinrichtung enthält energiedispersive Detektorsysteme. Aus den gemessenen Impulshöhenverteilungen können dann mit geeigneten Rechnerprogrammen Informationen über die Güte der Quelle bezüglich des Energieverlustes der Alphateilchen in der Quelle und über die Radionuklidzusammensetzung gewonnen werden.

Derzeit werden die bestehenden Apparaturen weiterentwickelt sowie das Energie-Auflösungsvermögen der Detektorsysteme optimiert. Der Schwerpunkt liegt auf der Reduzierung der Messunsicherheit. Diese ist im Wesentlichen bestimmt durch die Unsicherheiten von Längenmessungen. Durch eine Vergrößerung der Apparatur lässt sich die relative Unsicherheit dieser Längenmessungen deutlich reduzieren. Konstruktiv ist dieses Verfahren durch die maximale Größe des Detektors begrenzt. Im Gegensatz zu den bisherigen Systemen mit einer maximalen Detektorgröße von 450 mm2 wird die neue Apparatur einen Detektor mit 5000 mm2 aktiver Fläche beinhalten und so die Verringerung der Messunsicherheit ermöglichen. Daneben wird die neue Apparatur Maßnahmen zur Reduzierung des sogenannten Nulleffekts enthalten und einen schnellen Quellenwechsel ermöglichen. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, im Bereich der kurzlebigen Nuklide neben der Aktivität auch die Halbwertszeiten zu bestimmen. Generelles Ziel ist hierbei nicht nur, die Weitergabe des Becquerels für alphastrahlende Nuklide mit kleinstmöglichen Unsicherheiten zu erreichen, sondern auch gleichzeitig in der Lage zu sein, radioaktive Verunreinigungen zu erkennen und Isotopengemische zu analysieren. Dafür sind eine verbesserte spektrometrische Auflösung und komplexe Auswertealgorithmen erforderlich.

 

 

Ansprechpartnerin

Annette Röttger
Fachbereich 6.1 Radioaktivität
(0531) 592-6130
annette.roettger(at)ptb.de