PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005016792B4 15.05.2008
Titel Vereinfachtes Verfahren zur Sr90-Aktivitätsbestimmung
Anmelder AVR Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor GmbH, 52428 Jülich, DE
Erfinder Wahl, Jürgen, 52379 Langerwehe, DE
DE-Anmeldedatum 12.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005016792
Offenlegungstag 19.10.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.05.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.2008
IPC-Hauptklasse G01T 1/167(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01T 1/178(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein vereinfachtes Verfahren zur Sr90-Aktivitätsbestimmung.

Die Aktivitätsbestimmung des reinen Betastrahlers Sr90 in Proben der Umwelt oder aus dem kerntechnischen Bereich ist wegen der Vielzahl damit verbundener chemischer Operationen aufwendig und schwierig. Die Auswertung nur einer Probe dauert mindestens eine Woche und erfordert profunde Kenntnisse der Chemie. Entsprechend hoch ist der Preis, der bei einer einfachen Erdprobenmessung bereits bei ca. 1000,00 Euro liegt. Der ökonomische Zwang kann aber schnell zu einer zu geringen Probendichte führen mit der Folge einer statistisch unzureichenden Beschreibung der radiologischen Situation.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein einfacheres Verfahren wie das des Patentanspruchs zu haben, mit dem schnell und preiswert und ohne die bisherigen Nachteile für die statistische Sicherheit eine genügend große Zahl von Proben gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für die Sr90-Aktivitätsbestimmung das Probenmaterial nicht chemisch aufbereitet wird; statt der chemischen Abtrennung von Strontium zur Betazählratenmessung wird der Betazählratenbeitrag der anderen Betastrahler nach einer mechanischen Probenbehandlung rein messtechnisch durch Kombination einer Betazählratenmessung und einer gammaspektrometrischen Messung erfasst. Hierzu wird das Probenmaterial durch Mahlen in eine Messform (gleichmäßiger Auftrag als körniges Pulver auf Messfläche) gebracht, in der unabhängig von den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Probenmaterials die Aktivität jedes isoliert vorliegenden Betastrahlers Ni durch eine Betazählratenmessung bestimmt werden kann. In dieser Messform wird durch eine einmalige Kalibrierung die Messempfindlichkeit &egr;(Ni) der Betazählratenmessung für alle Betastrahler Ni bestimmt. Mit Kenntnis der Messempfindlichkeiten &egr;(Ni) und der gammaspektrometrisch gemessenen spezifischen Aktivität a&bgr;/&ggr;(Ni) der Betastrahler, die auch Gammastrahler sind, kann an jedem beliebigen Probenmaterial der Betazählratenanteil &Sgr;n&bgr;/&ggr;(Ni) der Beta/Gamma-Strahler berechnet werden. Die Differenz zwischen der gemessenen Gesamtbetazählrate nn und der Summe der berechneten Betazählraten &Sgr;n&bgr;/&ggr;(Ni) ist dann der Beitrag von dem Nuklidgemisch Sr90/Y90 an der Gesamtbetazählrate.

In den folgenden Ausführungen wird die Erfindung näher erläutert.

2 Messverfahren des Patentanspruchs 2.1 Grundsätzliches

Voraussetzung für das neue Sr90-Messvefahren ist die Fähigkeit, mit einem Beta zählratenmessgerät die Aktivität jedes Betastrahlers bestimmen zu können. Hierzu müssen das Ansprechvermögen des Detektors &egr;D(Ni) für die Betastrahlung des Nuklids Ni sowie der Wirkungsgrad der Strahlungsquelle &egr;S(Ni), der durch die Selbstabsorption der Betastrahlung des Nuklids Ni in der Probe vorgegeben wird, bekannt sein. Es gilt der Zusammenhang A(Ni) = (nb – n0)/&egr;D(Ni)·&egr;S(Ni) = nn/&egr;(Ni), in dem

nb
die Bruttozählrate in /IPS/,
n0
die Nulleffektrate in /IPS/,
nn
die Nettozählrate in /IPS/,
&egr;D(Ni)·&egr;S(Ni) = &egr;(Ni)
die Messempfindlichkeit der Probenmessung und
A(Ni)
die Probenaktivität des Nuklids Ni in /Bq/
sind.

Das Ansprechvermögen &egr;D(Ni) lässt sich mit geeigneten Kalibrierpräparaten sehr präzise ermitteln, nicht aber so einfach der Wirkungsgrad &egr;S(Ni), der sehr empfindlich von der Probendichte und der Probenmasse abhängt und daher stets konservativ angesetzt werden muss. Gelingt es aber, Proben jeder Art so zu präparieren, dass &egr;S(Ni) und damit &egr;(Ni) zuverlässig ein und denselben charakteristischen Wert annimmt, also unabhängig vom Probenmaterial wird, so kann die Aktivität A(Ni) des Nuklids Ni in beliebigen Proben aus der Betazählratenmessung bestimmt werden. Eine solche Probeneigenschaft kann vor folgendem theoretischen Hintergrund erstellt werden: die Schwächung der Betastrahlung eines Nuklids Ni ist eine Funktion der max. Energie der Betastrahlung Emax(Ni) und der Abschirmdicke d/cm/ des Materials mit der Dichte &rgr;/g/cm3/. Die Messempfindlichkeit der Betamessung &egr;(Ni), die ein Maß für die Schwächung der Betastrahlung ist, kann daher als Funktion dieser beiden Größen geschrieben werden: &egr;(Ni) = &mgr;i·Emax(Ni)·&rgr;·d, wobei &mgr;i ein für jedes Nuklid Ni charakteristischer Proportionalitätsfaktor ist. Neben Emax(Ni) bestimmen die Schwächung der Betastrahlung also nicht allein die Materialart, sondern vielmehr das Produkt &rgr;·d = fm (fm: Abschirmflächengewicht in g/cm2). Bei gleichem Abschirmflächengewicht fm ist &egr;(Ni) daher unabhängig von der Art des Probenmaterials.

Der zentrale Punkt des Patentanspruchs besteht nun darin, die Messempfindlichkeit &egr;(Ni) bei einem bestimmten Abschirmflächengewicht für jedes Nuklid Ni zu ermitteln. Dies kann durch eine Messung der Betazählrate einer Probe erfolgen, der eine Kalibrierflüssigkeit mit bekannter Aktivität zugeführt wurde. Liegt eine solche Kalibrierflüssigkeit nicht vor, so muss &egr;(Ni) berechnet werden.

2.2 Kalibrierung der Messvorgänge 2.2.1 Kalibrierung der Betastrahlungsmessung

Für jeden Betastrahler Ni, dessen Aktivität anhand seiner Gammastrahlung bestimmt wurde, ist die Messempfindlichkeit des Zählrohres für die Betastrahlung &egr;(Ni) in Einheiten von IPS/Bq durch Kalibriermessungen festzulegen. Die Messempfindlichkeiten &egr;(Ni) für die künstlichen Nuklide lassen sich durch Kalibrierproben bestimmen, die mit Lösungen der zu erwartenden Nuklide Ni genau definierter Aktivität kontaminiert sind. Die Kalibrierproben müssen den zu messenden Proben in ihrem Selbstabsorptionsverhalten exakt entsprechen. Die die Probeneigenschaften in Hinsicht auf die Schwächung der Betastrahlung bestimmenden Parameter, Abschirmwirkungsfläche fm/g/cm2/und die Korngröße, müssen identisch sein. Für eine feste gemahlene Probe mit einer Probenmasse von 10 g (fm = 33 mg/cm2) und eine Korngröße < 0,2 mm wurden die in Tabelle 1a aufgeführten Messempfindlichkeiten &egr;(Ni) zur Bestimmung der Betazählraten durch Messung (von Sr90/Y90 und Cs137) bzw. durch Rechnung (natürliche Aktivitäten) ermittelt.

Für die Betastrahler der Uran- und Thorium-Familie sind die Messempfindlichkeiten durch Vergleich der Betaenergien mit bekannten Messempfindlichkeiten künstlicher Nuklide abzuschätzen. Der Fehler dieser Abschätzung ist sehr gering, da die durch die Uran- und Thorium-Tochter erzeugten Betazählraten sehr gut anhand von nicht mit künstlichen Nukliden kontaminierten Umweltproben überprüft werden können (siehe Tabelle 1b). Tabelle 1a: Messempfindlichkeiten &egr;(Ni) künstlicher und natürlicher Nuklide bei der Messung der Betazählrate von festen Proben künstliche Nuklide* natürliche Nuklide** natürliche Nuklide** &egr;(Sr90/Y90) = 0,28 IPS/Bq &egr;(K40) = 0,405 IPS/Bq &egr;(Bi 214) = 0,32 IPS/Bq &egr;(Cs 137) = 0,20 IPS/Bq &egr;(TI 208) = 0,45 IPS/Bq &egr;(Pb 214) = 0,38 IPS/Bq &egr;(Bi 210) = 0,44 IPS/Bq &egr;(Ac 228) = 0,36 IPS/Bq &egr;(Bi 212) = 0,25 IPS/Bq &egr;(Pa 234m) = 0,46 IPS/Bq &egr;(Pb 212) = 0,25 IPS/Bq &egr;(Th 234) = 0,04 IPS/Bq

  • * durch Kalibrierpräparate ermittelte Messempfindlichkeiten
  • ** theoretisch ermittelte und anhand von Umweltproben überprüfte Messempfindlichkeiten: siehe Tabelle 1b
Tabelle 1b: Vergleich berechneter und gemessener Betazählraten an 10-g-Proben, die frei von künstlichen Aktivitäten sind gemessene Netto-Betazählrate IPS berechnete Netto-Betazählrate* IPS Zählratendifferenz &Dgr;Z IPS S04-676: Erdprobe 2,829 2,873 –0,044 S04-858: Bauschutt 0,775 0,792 –0,017 S04-982: Bauschutt 0,942 0,946 –0,004 S04-983: Erde-Kiesel 1,556 1,546 +0,010 S04-985: Erdprobe 2,955 2,912 +0,043 S04-986: Erdprobe 2,788 2,819 –0,031 S04-1027: Molekularsieb 0,493 0,497 –0,004
  • * aus den gammaspektrometrisch gemessenen spezifischen Nuklidaktivitäten und ihren Beta-Messempfindlichkeiten &egr;(Ni) nach Tabelle 1a berechnet

2.2.2 Kalibrierung der gammaspektrometrischen Messung

Die Kalibrierung der gammaspektrometrischen Messung ist ein standardisierter Vorgang der nuklearen Messtechnik, der daher hier nicht weiter erklärt wird.

2.3 Probenaufbereitung 2.3.1 Probenaufbereitung fester Proben

Das Rohmaterial der zu messenden Probe (Probenmasse: mindestens 10 g) ist zu trocknen und unmittelbar danach auf eine Korngröße < 0,2 mm zu mahlen und zu homogenisieren. Weiche Materialien, wie Gummi, PVC oder sonstige organische Proben, die sich nicht bei Zimmertemperatur mahlen lassen, werden für den Mahlvorgang auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff herabgekühlt. An Metallen, die grundsätzlich nicht gemahlen werden, erfolgt die Probenahme durch Fräsen oder Schleifen.

Die Probe muss nach der Probenaufbereitung einen Zustand erreicht haben, bei dem sichergestellt ist, dass die zugrunde gelegten Messempfindlichkeiten für die gammaspektrometrische Messung und die Betazählratenmessung identisch mit den entsprechenden Messempfindlichkeiten der Kalibrierung dieser beiden Messvorgänge sind. Als am besten reproduzierbar in dieser Hinsicht hat sich erwiesen, wenn für die gammaspektrometrische Messung eine Probenmenge von ca. 1 Liter und für die Betazählratenmessung eine Probenmenge von 10 g, die gleichmäßig auf einer ca. 300 cm2 großen Messfläche verteilt wird (Abschirmwirkungsfläche fm = 33 mg/cm2), angesetzt werden.

2.3.2 Probenaufbereitung flüssiger Proben

Das Probenmaterial wird eingedampft. Die Probenmenge ist beliebig. In Abhängigkeit vom Feststoffgehalt des Rohmaterials liegt die Probe nach dem Eindampfvorgang entweder in messbereiter Form vor oder sie muss bei großem Feststoffgehalt entsprechend Kap. 2.3.1 noch weiter behandelt werden.

2.4 Messung und Auswertung 2.4.1 Gammaspektrometrische Messung

An der Probe wird gammaspektrometrisch die Aktivität aller nachweisbaren Gammastrahler einschließlich von K 40 sowie der Gammastrahler aus der Thorium- und Uran-Familie gemessen.

2.4.2 Betastrahlungsmessung

Mit einem Zählrohr wird bei festen Proben an einer Teilprobe von 10 g aus der präparierten Gesamtprobe die Bruttozählrate der Betastrahlung nb sowie die Nulleffektrate n0 bestimmt.

Bei flüssigen Proben erfolgt diese Messung am Rückstand der eingedampften Probe.

2.5 Auswertung

Die gemessene Zählrate nb der Teilprobe in IPS setzt sich aus den Zählraten der verschiedenen Betastrahler zusammen: nb = n(Sr/Y90) + n0 + n(N1) + n(N2) + n(N3) + ...(1)

In dieser Gleichung sind n(Sr90/Y90) die von Sr90/Y90 erzeugte Zählrate in /IPS/, n0 die Nulleffektrate und n(N1), n(N2), n(N3) ... die Betazählraten in /IPS/ der Beta/Gammastrahler N1, N2, N3 ....

Die Betazählraten der Beta/Gammastrahler, bezogen auf die bei der Betamessung eingesetzte Teilprobenmasse m, lassen sich aus den ermittelten Messempfindlichkeiten &egr;(Ni) – siehe Tabelle 1a – und der unter 2.4.1 durchgeführten Bestimmung der spezifischen Beta/Gammastrahler-Aktivität a(Ni) in Bq/g wie folgt berechnen: n(Ni) = &egr;(Ni)·a(Ni)·m/IPS/,(2)

Die von Sr90/Y90 erzeugte Zählrate n(Sr90/Y90) errechnet sich mit Gl. (2) aus Gl. (1) zu n(Sr90/Y90) = nb – n0 – &Sgr;n(Ni)(3).

Die Sr90/Y90-Aktivität der Teilprobe A(Sr90/Y90) wird aus der Zählrate n(Sr90/Y90) und der Messempfindlichkeit &egr;(Sr90/Y90) wie folgt bestimmt: A(Sr90/Y90) = n(Sr90/Y90)&egr;(Sr90/Y90)Bq(4).

Die spezifische Aktivität a(Sr90/Y90) der Probe ergibt sich aus Gl. (4) zu a(Sr90/Y90) = A(Sr90/Y90)mBq/g(5).

Da Sr90 und Y90 im Aktivitätsgleichgewicht stehen, beträgt die spezifische Aktivität für das Nuklid Sr90: a(Sr90) = a(Sr90/Y90)2Bq/g(6).

2.6 Experimentelle Bestimmung der Erkennungs- und Nachweisgrenze des Sr90-Aktivitätsmessverfahrens

Für die Zählratendifferenz &Dgr;Z zwischen der gemessenen Netto-Betazählrate und der aus der gammaspektrometrisch ermittelten Aktivität berechneten Netto-Betazählrate in Tabelle 1b gilt theoretisch &Dgr;Z = 0. Bei den in Tabelle 1b aufgeführten Probenmessungen ist dies im Rahmen der statistischen Sicherheit offensichtlich der Fall. Die Standardabweichung der Zählratendifferenz ergibt sich zu &sgr;(&Dgr;Z) = 0,031 IPS. Aus dieser Standardabweichung lässt sich die Erkennungsgrenze EG und Nachweisgrenze NWG für die Sr90/Y90-Aktivitätsmessung unter der Annahme bestimmen, dass keine weiteren nicht gammaspektrometrisch erfassbaren Aktivitäten vorliegen: EG(Sr90/Y90) = 3·&sgr;(&Dgr;Z)&egr;(Sr90/Y90)·m = 3·0,0310,36·10 = 25,83 E-3 Bq/g bzw. NWG(Sr90/Y90) = 4,6·&sgr;(&Dgr;Z)&egr;(Sr90/Y90)·m = 39,61 E-3 Bq/g bzw. für das Nuklid Sr90 allein: EG(Sr90) = 13,0 E-3 Bq/g, NWG(Sr90) = 19,81 E-3 Bq/g.

Diese Werte stehen in Übereinstimmung mit der in Kapitel 3 theoretisch ermittelten Erkennungsgrenze bzw. Nachweisgrenze für die Sr90/Y90-Aktivitätsbestimmung.

2.7 Ergänzende Bemerkungen zur Messung der Zählrate der Betastrahlung

In seltenen Fällen liegt in Proben auch das kurzlebige Radionuklid Sr89 (T1/2 = 50,5 d) vor, ein ebenfalls reiner Betastrahler wie Sr90. Dieses Nuklid kann theoretisch bei der Kernspaltung in einer maximal um den Faktor 100 höheren Aktivität auftreten als Sr90. Wegen seiner kurzen Halbwertzeit reichert es sich nicht in dem Maße wie Sr90 (T1/2 = 28,64 a) an, so dass sich in einem in Betrieb befindlichen Reaktor ein Sr89/Sr90-Aktivitätsverhältnis von max. 10 einstellt. In stillgelegten kerntechnischen Anlagen liefert dieses Nuklid bereits ein Jahr nach Ende des Reaktorbetriebs keinen relevanten Aktivitätsbeitrag mehr. In Umweltproben liegt im Allgemeinen kein Sr89 vor. Ausnahmen sind Umweltproben, die in zeitlicher Nähe von Reaktorstörfällen wie im Fall von Tschernobyl oder nach Kernwaffentests in der Atmosphäre gemessen werden. In solchen Extremfällen ist das Aktivitätsverhältnis entweder bekannt oder es kann durch eine 2. Betastrahlungsmessung ca. 3 Tage nach der 1. Messung aus dem radioaktiven Zerfall von Sr89 abgeleitet werden. Da das Sr89/Sr90-Aktivitätverhältnis in einem zu untersuchenden Kompartiment konstant ist, genügt eine Sr89-Aktivitätsmessung zur Extrapolation auf die anderen Proben.

Reine Gammastrahler (z. B. Cr51) oder reine Betastrahler mit Beta-Energien Emax < 0,1 MeV wie H3 müssen nicht berücksichtigt werden, da das verwendete Zählrohr unempfindlich für Gamma-Strahlung bzw. für Beta-Teilchen dieser Energie ist. Der reine Betastrahler C14 mit einer Beta-Energie Emax < 0,2 MeV wird durch die Beta-Messung erfasst. Seine Betastrahlung kann aber leicht durch eine Folie vollständig abgeschirmt werden, ohne dass die Betazählraten der anderen Nuklide, deren Beta-Energien deutlich höher sind, davon beeinflusst werden.

Im Gegensatz zu festen Proben muss bei Proben wässrigen Ursprungs berücksichtigt werden, dass die Sr90-Tochter Y90 (T1/2 = 64,1 h) sich nicht im Aktivitätsgleichgewicht mit ihrer Mutter befindet. In solchen Fällen kann der fehlende Beitrag von Y90 anhand einer 2. Betastrahlungsmessung ca.2 bis 3 Tage nach der 1. Messung bestimmt und im Endergebnis berücksichtigt werden.

3 1. Beispiel: 'Sr90-freie Bauschuttprobe (Probe S04-858) 3.1 Messergebnisse der Gammaspektrometrie

Es wurden keine künstlichen Gammastrahler nachgewiesen (Nachweisgrenze < 1 E-3 Bq/g).

Die Aktivität der natürlichen Beta/Gammastrahler setzt sich wie folgt zusammen: a(K 40): 1,30 E-1 Bq/g a(Bi 214): 7,91 E-3 Bq/g a(TI 208): 3,43 E-3 Bq/g a(Pb 214): 9,29 E-3 Bq/g a(Bi 210)*: 7,91 E-3 Bq/g a(Ac 228): 1,02 E-2 Bq/g a(Bi 212): 1,06 E-2 Bq/g a(Pa 234m): 1,29 E-2 Bq/g a(Pb 212): 1,08 E-2 Bq/g **a(Th 234): 1,29 E-2 Bq/g

  • * Die Aktivität von Bi210 lässt sich aus der Aktivität seines (messbaren) Vorläufers Bi214 berechnen, sofern Aktivitätsgleichgewicht zwischen beiden Nukliden vorliegt
  • ** Die Aktivität von Th234 lässt sich aus der Aktivität seiner Tochter Pa234m ableiten, mit der es im Aktivitätsgleichgewicht steht

3.2 Messergebnisse der Betazählratenmessung

Die mittlere Bruttozählrate von 3 Betamessungen einer Teilprobe von 10 g der Probe S04-858 beträgt

nb = 1,031 IPS während einer Gesamtmesszeit tM = 2700 s.

Die mittlere Nulleffektrate beträgt n0 = 0,256 IPS bei einer Gesamtmesszeit t0 = 2700 s.

Auswertung

Nach Gl. (3) gilt: n(Sr90/Y90) = nb – n0 – n(nat.)(7), wobei n(nat.) die berechneten Zählraten aller gammaspektrometrisch erfassten natürlichen Betastrahler sind. n(nat.) setzt sich zusammen aus den Betazählraten der Beta-Töchter der U-und Th-Familien und aus der Betazählrate von K 40. Es gilt also n(nat.) = &Sgr;n(Ni(U, Th)) + n(K 40)(8).

Unter Berücksichtigung der Zusammenhänge n(K40) = a(K40))·&egr;(K40) und entsprechend für n(Ni(U, Th)) = a(Ni(U, Th))·&egr;(Ni(U, Th)), wobei &egr;(Ni(U, Th)) aus Tabelle 1a zu entnehmen ist, kann n(nat.) mit den Messergebnissen aus Kap. 3.1 berechnet werden zu n(nat.) = 0,792 IPS(8a).

Nach Gl. (7) ergibt sich für die Zählrate der Sr90/Y90-Aktivität: n(Sr90/Y90) = 1,031 – 0256 – 0,792 = – 0,017 IPS(9).

Da die Probe sicher nicht mit künstlicher Aktivität kontaminiert ist, ist der Erwartungswert für n(Sr90/Y90) = 0,0 IPS. Das Messergebnis n(Sr90/Y90) = –0,017 IPS weicht innerhalb der Fehlerbreite der zählstatistischen und systematischen Unsicherheiten der Beta- und Gamma-Messungen vom Erwartungswert geringfügig ab.

3.4 Fehlerbetrachtung

Die Standardabweichung s(Sr90/Y90) der Zählrate n(Sr90/Y90) für die 10-g-Probe setzt sich aus den folgenden 3 Standardabweichungen zusammen:

snz für den zählstatistischen Fehler der Nettozählrate n(netto) = nb – n0 – n(nat.),

saz für den zählstatistischen Fehler der Betazählrate n(nat.) infolge des statistischen Fehlers bei der Aktivitätsbestimmung der Gammastrahler und

ss für den systematischen Fehler, der bei der Bestimmung der Messempfindlichkeiten von &egr;(Ni(U, Th)) und &egr;(K40) entsteht.

Für s(Sr90/Y90) gilt daher die Gleichung

Die zählstatistische Standardabweichung snzEG der Nettozählrate für die Messung der Betastrahlung in der Nähe der Erkennungsgrenze wird allgemein beschrieben durch die Gleichung

in der n0 die Nulleffektrate, t0 die Messzeit für die Nulleffektrate und tM die Messzeit für die Bruttozählrate sind.

Nun interessiert hier nicht die Standardabweichung einer Nettozählrate n(gesamt) – n0 = n(nat.), sondern die Standardabweichung für die Nettozählrate in der Nahe der Sr90/Y90-Erkennungsgrenze n(gesamt) – n0 – n(nat.) = n(Sr90/Y90), so dass gilt:

Für die Fehler bei den Aktivitätsmessungen, bezogen auf eine 10-g-Probe, gelten die Gleichungen saz = ±√&Sgr;(a(Ni)·10·&egr;(Ni)·&Dgr;a(Ni)/a(Ni))²(12),

in denen a(Ni) und &egr;(Ni) die spezifische Aktivität bzw. die Messempfindlichkeit des Nuklids Ni bei der Betazählratenmessung darstellen und &Dgr;a(Ni) bzw. &Dgr;&egr;(Ni) die entsprechenden Fehler dieser Messgrößen sind. Werden in die Gleichungen (11), (12) und (13) die oben ermittelten Werte eingesetzt, so ergibt sich mit den vereinfachend – aber nicht ungenau – angenommenen gleichen Fehlern &Dgr;a(Ni)/a(Ni) = 0,038 und &Dgr;&egr;(Ni)/&egr;(Ni) = 0,04 für alle Nuklide: snzEG = ±√(0,256 + 0,792)·(1/2700 + 1/2700) = ±0,028 IPS(11a) saz = ±√(0,13·0,405·10·0,038)² + ... = ±0,020 IPS(12a) ss = ±√(0,13·10·0,405·0,04)² + ... = ±0,021 IPS(13a)

In Gl. (10) eingesetzt ergibt sich als theoretischer Gesamtfehler für die Sr90/N90-Aktivitätsmessung der Probe S04-858 s(Sr90/Y90) = ±√0,028² + 0,020² + 0,021² = ±0,040 IPS.

  • (Die theoretisch ermittelte Streuung ist in diesem Beispiel geringfügig höher als die aus der Messreihe in Tabelle 1b bestimmte von s(Sr90/Y90) = ± 0,031 IPS – siehe 2.6.)

Die Messunsicherheit u(Sr90) für die Bestimmung der spezifischen Sr90-Aktivität a(Sr90) in der Nähe der Erkennungsgrenze berechnet sich mit der Probenmasse m = 10 g, der Messempfindlichkeit für die Betamessung von Sr90/Y90 mit &egr;(Sr90/Y90) = 0,28 IPS/Bq und unter Berücksichtigung des Aktivitätsgleichgewichtes zwischen Sr90 und Y90 zu u(Sr90) = s(Sr90/Y90)&egr;(Sr90)·2·m = ±0,0400,28·2·10 = ±0,007 Bq/g(15).

Die Erkennungsgrenze für die Sr90-Bestimmung ergibt sich aus dem Gesamtfehler u(Sr90) und einem Faktor für die statistische Sicherheit kg = 3 (Vertrauensbereich > 99%) zu EG(Sr90) = kg·u(Sr90) = 3·0,007 = 0,021 Bq/g(16), und die Nachweisgrenze mit einem statistischen Faktor kn = 4,6 zu NWG(Sr90) = kn·u(Sr90) = 4,6·0,007 = 0,032 Bq/g(17).

4 2. Beispiel: Mit Cs137 und Sr90/Y90 kontaminierte Bodenprobe (Probe S04-985) 4.1 Messergebnisse der Gammaspektrometrie

Messergebnisse in Bq/g: a(Ka40): 4,76 E-1 a(Bi214): 2,72 E-2 a(Tl208): 1,26 E-2 a(Pb214): 3,15 E-2 a(Bi210): 2,72 E-2 a(Ac228): 3,85 E-2 a(Bi212): 4,03 E-2 a(Pa234): 5,22 E-2 a(Pb212: 4,03 E-2 a(Th234): 5,22 E-2

Diese Bodenprobe wurde mit Kalibrierlösungen von Sr90/Y90 und Cs137 kontaminiert; spezifische Aktivität:

a(Sr90/Y90): 3,885 Bq/g

a(Cs137): 1,956 Bq/g

4.2 Messergebnis der Betazählratenmessung

Die Betazählrate einer Teilprobe mit der Masse 10 g wurde zu

nb= 1128 IPM = 18,21 IPS während einer Messzeit von tM = 2700 s gemessen.

Die Nulleffektrate beträgt n0 = 21,3 IPM = 0,350 IPS bei einer Messzeit von t0 = 2700 s.

Auswertung

Nach Gl. (3) gilt: n(Sr90/Y90) = nb – n0 – n(K40) – &Sgr;n(Ni(U, Th)) – n(Cs137) = nb – n0 – n(nat.) – n(Cs137)

Nach Einsetzen der Messwerte unter Beachtung der berechneten Betazählrate n(nat.) = 2,912 IPS (siehe Probe S04-985 in Tabelle 1b) und der Messempfindlichkeit für Cs137 von &egr;(Cs137) = 0,2 IPS/Bq aus Tabelle 1a lässt sich die Betazählrate der 10-g-Probe für Sr90/Y90 wie folgt ermitteln: n(Sr90/Y90) = 18,21 – 0,350 – 2,912 – 0,2·1,956·10 = 14,95 – 3,912 = 11,04 IPS.

Unter Beachtung der Gl. (4) und (5) ergibt sich die spezifische Aktivität für Sr90/Y90 zu a(Sr90/Y90) = 3,925 ± 0,093 Bq/g.

Sie weicht nur um 1,0 % von der Aktivität der Kalibrierlösung mit 3,885 Bq/g ab und liegt im Rahmen der Messunsicherheit u(Sr90) = ± 0,093 Bq/g, die sich wie folgt errechnet:

Der Messfehler s(Sr90/Y90) setzt sich zusammen aus dem zählstatistischen Fehler snZ der Nettozählrate der Beta-Messung n(netto) = nb – n0 – n(nat.) – n(Cs137), dem zählstatistischen Fehler der Aktivitätsmessung der Gammastrahler saz und dem systematischen Fehler der Messempfindlichkeiten für die Beta-Messung der Gammastrahler ss. Im Gegensatz zu Probe S04-858 in Beispiel 1 liegt die Nettozählrate der Betamessung nicht in der Nähe der Erkennungsgrenze für einen positiven Sr90/Y90-Beitrag, vielmehr wird die Nettozählrate ausschließlich durch Sr90/Y90 gebildet. Die Stan dardabweichung der Nettozählrate ergibt sich daher zu

snZ = ±√(0,35 + 2,912 + 3,912)/2700 + 18,21/2700 = ±0,097 IPS(18a).

Für die Standardabweichungen saz und ss der gemessenen Gammastrahler gelten nach Gl. (12) und (13) mit &Dgr;a(Ni)/a(Ni) = 0,038 und &Dgr;&egr;(Ni)/&egr;(Ni) = 0,04 saz = ±√(3,912·0,038)² + (0,476·0,405·10·0,038)² + ... = ±0,166 IPS und &egr;s = ±√(3,912·0,04)² + (0,476·0,405·10·0,04)² + ... = ±0,17 IPS, so dass sich als Gesamtabweichung s(Sr90/Y90) = ±√0,097² + 0,166² + 0,174² = ±0,26 IPS und als Messunsicherheit für diese Sr90/Y90-Messung u(Sr90/Y90) = ±0,260,28·10 = ±0,093 Bq/g ergibt.

5 Vorteile der Erfindung

Das neue Verfahren erfordert keinerlei Kenntnisse von chemischen Zusammenhängen, da die Probenaufbereitung nur mechanisch durch Trocknen und Mahlen geschieht und die Aktivitätsmessungen nur Standard-Kenntnisse der Kernmesstechnik voraussetzen: Die Sr90-Aktivität einer Probe ergibt sich einfach aus der Differenz der gemessenen Betazählrate und der Summe der Betazählraten, die sich nach entsprechenden Kalibrierungen für jeden Betastrahler aus der gammaspektrometrischen Aktivitätsmessung berechnen lassen.


Anspruch[de]
Vereinfachtes Verfahren zur SR90-Aktivitätsbestimmung mit folgenden Verfahrensschritten:

– Rohes Probenmaterial trocknen und mahlen (Korngröße: < 0,2 mm)

– Gammaspektrometrische Messung des Probenmaterials zur Bestimmung der spezifischen Aktvität a&bgr;/&ggr;(Ni) in Bq/g der Beta/Gamma-Strahler

– Einmalige Bestimmung der Messempfindlichkeiten &egr;(Ni) für das Nuklidgemisch Sr90/Y90 sowie für die übrigen Beta-Strahler

– Zur Beta-Zählratenmessung Probenmaterial mit einer der Kalibrierungsmessung identischen Massenbelegung von max. 40 mg/cm2 und der Masse M gleichmäßig auf Messfläche FD verteilen

– An der Masse M auf der Messfläche FD die Gesamt-Beta-Zählrate nn /IPS/ messen

– Umrechnung der gammaspektrometrisch gemessenen spezifischen Aktivitäten a&bgr;/&ggr;(Ni) in Beta-Zählraten n&bgr;/&ggr;(Ni) gemäß n&bgr;/&ggr;(Ni) = &egr;(Ni)·a&bgr;/&ggr;(Ni)·M

– Durch Bilden der Differenz aus der Beta-Gesamtzählrate nn und der Summe der Beta-Zählraten der Beta/Gamma-Strahler &Sgr;n&bgr;/&ggr;(Ni) ergibt sich der Beitrag der Beta-Zählrate n(Sr90/Y90) von Sr90/Y90

– Bestimmung der spezifischen Sr90-Aktivität a(Sr90) in /Bq/g/ gemäß n(Sr90/Y90)&egr;(Sr90/Y90)·M·2 = a(Sr90)






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com