Anwendungen

Gibt es einen guten Grund Alpha-Spektrometrie überhaupt einzusetzen, wenn man an die damit verbundenen Probleme denkt?

  • Weniger als 10% aller bekannten Nuklide zerfallen durch Alpha-Emission
  • Alpha Teilchen sind sehr groß und schwer; bei jeder Wechselwirkung mit Materie verlieren sie sehr viel Energie. Die Reichweite in Luft beträgt weniger als 6 cm. Aus diesem Grund braucht man extrem dünne Proben wenn man gut aufgelöste Alpha Spektren messen will.
  • Energien von Zerfalls-Alphas liegen in einem engen Bereich zwischen etwa 3 MeV und 8 MeV. Die typische Auflösung in guten Alpha-Spektren liegt bei etwa 20 keV (FWHM), das heisst dass der dynamische Bereich in der Alpha-Spektrometrie sehr schmal ist.

Dennoch: JA, denn Alpha Spektrometrie ist ein sehr empfindliches analytisches Werkzeug

Nimmt man ein Spektrometer mit 40% Nachweiswahrscheinlichkeit (zum Beispiel eine Gitter-Ionisationskammer) und misst ein Spektrum für nur eine Stunde dann erhält man:

Von 100 µg Th-232 (T1/2 = 1.45E10 Jahre) 590 counts
Von     1 ng Ra-226 (T1/2 = 1600 Jahre) 53280 counts
Von     1 pg Po-210 (T1/2 = 22 Jahre) 3875 counts

In einem sauberen Spektrometer misst man nur wenige Untergrund-Counts; alternativ kann man den Untergrund messen und berücksichtigen. In jedem Fall liefert die Alpha-Spektrometrie

  • extrem hohe Empfindlichkeit
  • extrem niedrige Nachweisgrenzen
  • extreme spezifische und saubere Analysen

Alpha-Spektrometrie ist eine sehr nützliche analytische Technik

Hoch auflösende Spektrometrie

Die nachfolgende Auswahl von Anwendungen der Alpha-Spektrometrie ist keineswegs vollständig aber sie zeigt exemplarisch viele wichtige Möglichkeiten.

Ausbildung und Training
Die Kombination von theoretischen Vorlesungen über die Alpha Spektrometrie mit hands-on Erfahrungen in verschiedenen Bereichen wie z.B. Probenherstellung, Spektrenmessung und Spektrenanalyse bietet vermutlich die beste Methode, um viele Details der Naturwissenschaften zu verstehen, wie die Physik beim Kernzerfall, analoge und digitale Elektronik, spektrometrische Prinzipien, oder analytische Chemie bei der Element-Separation.

Trinkwasser
Die kontinuierliche Überwachung von Trinkwasser, sowohl von Oberflächenwasser als auch von Wasser aus Tiefbrunnen, auf den Gehalt an Radon und, weitaus wichtiger, an Radium, Uran und Thorium ist unerlässlich, um die Eignung als Lebensmittel sicherzustellen.

Lebensmittel
Staatliche und private Labore untersuchen beständig Lebensmittel und andere Rohstoffe, um jegliche radioaktive Kontamination festzustellen und eine Verteilung von kontaminiertem Material zu verhindern.

Umgebungsmessungen
Die Messung von Alpha-Strahlern in Proben natürlichen Ursprungs, wie Ackerkrume, Oberflächenwasser und Fluss-Sediment, oder der U/Th Gehalt in Steinbruch-Material wird regelmäßig durchgeführt, um die Einhaltung von Grenzwerten zu gewährleisten. Die Quantifizierung von U und Th samt Töchtern in Granit, Ton und Lehm, Düngemitteln und Baumaterialien ist eine ebenfalls wichtige Messaufgabe.

Forschung
Alpha-aktive Radionuklide werden in vielen Bereichen der Forschung eingesetzt, wie z.B. in der Medizin, Geologie, Materialwissenschaften und Technologie. Weiterhin gibt es interessante Anwendungen im Bereich der Forensik.

Umweltverschmutzung
Die Messung von Alpha-Aktivitäten im Zusammenhang mit der Gewinnung von nuklearem Material für die Energiegewinnung (z.B. beim Bergbau, Produktion, Lagerung, Wiederaufarbeitung, Endlagerung von zivilem und militärischem Material) ist ein wichtiger Teil der Sicherheits-Regeln. Diese Messungen werden weniger direkt am betroffenen Material sondern meist in der Umgebung durchgeführt.
Weiterhin wird die Umweltverschmutzung in den Bereichen der früheren offenen Kernwaffentests untersucht sowie in denjenigen Kriegsgebieten, in denen mit Urankappen verstärkte Munition eingesetzt wurde.

Untersuchung von Kernreaktionen
Viele Kernreaktionsprodukte zerfallen durch Alpha-Emission und sie werden mit der Alpha-Spektrometrie untersucht. Bei diesen Untersuchungen werden oft spezielle Detektoren eingesetzt, mit denen man die Energie des Alpha-Teilchens und gleichzeitig den Ort bestimmt, an dem der Alpha-Zerfall stattgefunden hat.

Geochemische Untersuchungen
Das Vorhandensein und die Verteilung von natürlich radioaktiven Elementen Uran und Thorium und ihrer Zerfallstöchter (NORM) sind ein wichtiges Werkzeug in geochemischen Untersuchungen und Systematiken. Die Frage vom Uran/Radium Ungleichgewicht oder der Pb-210/Po-210 Trennung durch Regenwasser und anschliessende Sedimentation sind ebenfalls von großem Interesse.

Prozesswasser in KKW
Die Messung der Alpha-Aktivität im Prozesswasser von Kernkraftwerken ist eine effektive Methode zur Überwachung vom Zustand der Anlage.

Niedrig auflösende Spektrometrie

Die folgende Zusammenstellung von Anwendungen niedrig aufgelöster Alpha-Spektrometrie ist keinesfalls vollständig, sondern sie zeigt lediglich das breite Feld möglicher Anwendungen für diesen Typ von Kernstrahlungsmessung.

Der Begriff „Auflösung“ in der Alpha-Spektrometrie, d.h. die Halbwertsbreite von Peaks, wird im Wesentlichen durch die Dicke der Probe bestimmt. „Hoch auslösende Spektrometrie“ bezieht sich auf die Messung von sehr dünnen Proben, die durch chemische Element-Separation, Reinigung und anschliessende Elektrodeposition oder andere Methoden hergestellt wurden. Im Gegensatz dazu kommen Proben für die „niedrig auflösende Spektrometrie“ meist aus der in-situ Produktion, bei der das Probenmaterial lediglich zermahlen, verascht, eingedampft oder gar nicht bearbeitet wurde..

Umgebungsmessungen
Die Messung der Emission von Alpha Teilchen aus natürlichem Ursprung wie z.B. Ackerboden, Oberflächenwasser und Sedimenten, oder des U/Th-Gehalts in Steinbruch-Material dient zur Überwachung und Kontrolle von Grenzwerten. Die Bestimmung von U und Th samt Töchtern in Granit, Ton und Lehm, Dünger- und Baumaterialien ist ebenfalls unerlässlich.

Umweltverschmutzung

Die Messung von Alpha-Aktivitäten im Zusammenhang mit der Gewinnung von nuklearem Material für die Energiegewinnung (z.B. beim Bergbau, Produktion, Lagerung, Wiederaufarbeitung, Endlagerung von zivilem und militärischem Material) ist ein wichtiger Teil der Sicherheits-Regeln. Diese Messungen werden sowohl direkt am betroffenen Material als auch in der Umgebung durchgeführt.
Weiterhin wird die Umweltverschmutzung in den Bereichen der früheren offenen Kernwaffentests untersucht sowie in denjenigen Kriegsgebieten, in denen mit Urankappen verstärkte Munition eingesetzt wurde.

Prospektion
Die direkte Bestimmung der Alpha-Aktivität in Gesteinsmehl oder im Verdunstungsrückstand von Oberflächenwasser liefert wichtige Daten zu deren U und Th-Gehalt. Die elektrostatische Sammlung von Radon-Töchtern oder die Sammlung von an Aerosolen angelagerten Töchtern auf einem Luftfilter und direkte Messung der Proben liefern zuverlässige Daten zum U- und Th-Gehalt im Gestein.

Bohrplattformen (rigs)
Prozesswasser und Bohrschlamm an Bohrplattformen werden überwacht, um den Gehalt an radioaktivem Material zu erfassen. Die Überwachung dient der Personendosimetrie Sicherheit am Arbeitsplatz. Siehe auch:  Scales und NORM.

Scales und NORM
Bei einigen technischen Prozessen können natürlich vorkommende radioaktive Materialien (NORM) oder andere radioaktive Nuklide in festen Ablagerungen angereichert werden, deren Akkumulation, Sammlung und Lagerung überwacht werden muss. Siehe zum Beispiel:  IAEA Safety Report Series No. 34 on Radioactive Waste in the Oil and Gas Industry.