Ratgeber

Geigerzähler & Dosimeter » Radioaktivität messen

Radioaktive Strahlung kann sich bekanntlich negativ auf die Gesundheit auswirken. Maßgeblich sind dabei sowohl die Intensität als auch die Dauer. Beides lässt sich einfach und schnell mit Radioaktivitäts-Messgeräten wie Geigerzählern beziehungsweise Dosimetern ermitteln.

Wie diese Geräte aufgebaut sind und funktionieren, das erfahren Sie in unserem Ratgeber.



Was ist radioaktive Strahlung?

Radioaktive oder genauer ionisierende Strahlung ist eine Energieform, die von Atomen als elektromagnetischen Wellen wie Alpha, Beta-, Gamma- und Röntgenstrahlen oder als Teilchenstrahlung zum Beispiel aus Neutronen abgegeben wird. Die Strahlung entsteht durch den spontanen Zerfall von Atomen in instabilen Elementen, den sogenannten Radionukliden.

Die Aktivität des Zerfalls wird in der Einheit Becquerel ausgedrückt, ein Becquerel entspricht einem radioaktiven Zerfall pro Sekunde. Halbwertszeit ist ein weiterer wichtiger Parameter. Sie bezeichnet die Dauer, bis die Hälfte eines radioaktiven Elements zerfallen ist. Die Halbwertszeit kann von einem Bruchteil einer Sekunde bis zu Millionen von Jahren reichen. Jod-131 zum Beispiel hat eine Halbwertszeit von 8 Tagen, während Kohlenstoff-14 eine Halbwertszeit von 5730 Jahren besitzt. Eine Probe von Uran-235 ist sogar erst nach mehr als 703 Millionen Jahren auf die Hälfte geschrumpft.

Lebewesen sind täglich sowohl natürlichen als auch vom Menschen verursachten Strahlungsquellen ausgesetzt. Natürliche Strahlung stammt aus vielen Quellen, darunter mehr als 60 natürlich vorkommende radioaktive Stoffe, die in Boden, Wasser und Luft vorkommen. Radon, ein natürlich vorkommendes Gas, entweicht aus Gestein und Boden und ist die Hauptquelle natürlicher Radioaktivität. Jeden Tag atmen Lebewesen Radionuklide ein und nehmen sie mit der Luft, der Nahrung und dem Wasser auf.

Menschen sind auch der natürlichen kosmischen Strahlung ausgesetzt, insbesondere in großer Höhe. Im Durchschnitt sind 80 Prozent der jährlichen Dosis der Hintergrundstrahlung, die ein Mensch erhält, auf natürlich vorkommende irdische und kosmische Strahlungsquellen zurückzuführen. Die Hintergrundstrahlung ist aufgrund geologischer Unterschiede geografisch unterschiedlich hoch. In bestimmten Gebieten kann die Strahlenbelastung mehr als 200 Mal höher sein als der weltweite Durchschnitt.

Die Strahlenbelastung des Menschen stammt auch aus vom Menschen geschaffenen Quellen, die von der Stromerzeugung aus Kernkraft bis zur medizinischen Anwendung von Strahlung für Diagnose und Behandlung reichen. Die häufigsten vom Menschen verursachten Quellen ionisierender Strahlung sind heute medizinische Geräte, einschließlich Röntgengeräte und Systeme zur radiologischen Therapie.



Was sind Dosimeter?

Während klassische Geigerzähler in erster Linie für die Messung aktuell vorhandener Radioaktivität ausgelegt sind, dienen Dosimeter im Allgemeinen zum Sammeln der Intensitäten einzelner Strahlendosen über längere Zeiträume.

Die absorbierte Strahlungsenergie wird in Gray – abgekürzt Gy – oder als Äquivalenzdosis in Sievert – abgekürzt Sv – gemessen

Erhältliche Dosis-Messgeräte reichen von preiswerten, passiven Geräten wie Personendosimetern bis hin zu aktiven Messgeräten für ionisierende Strahlung, die sowohl Echtzeitwerte anzeigen als auch gespeicherte Daten analysieren. 

Passive und aktive Dosimeter werden oft zusammen verwendet, um sich gegenseitig zu ergänzen.

Zur Schätzung der effektiven Dosis sind Dosimeter an einer für die Exposition repräsentativen Körperstelle zu tragen, in der Regel zwischen Taille und Hals, auf der Vorderseite des Oberkörpers mit Blick auf die radioaktive Messstelle.



Aufbau eines Geigerzählers

Mit Geigerzähler wird umgangssprachlich ein Geiger-Müller-Zählrohr bezeichnet. Es handelt sich dabei um ein Gerät zum Nachweis und zur Messung von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung.

Es besteht im Wesentlichen aus einem – manchmal leitend beschichteten – Glas- oder Metallrohr mit zwei Elektroden und einer Füllung aus Helium, Krypton oder Argon. Die Kathode ist das Rohr selbst oder ein Wendeldraht, als Anode dient ein hauchdünner Draht in der Mitte des Rohrs. Neben dem Zählrohr enthält ein handelsüblicher Geigerzähler elektronische Schaltungen für die Hochspannungserzeugung, zur Erfassung und Speicherung der Strahlungswerte sowie ein Display zur Anzeige der Messergebnisse und für Funktionseinstellungen. ,

Einige Modelle besitzen eine USB-Schnittstelle zur Übertragung der Messwerte.



Wie funktioniert ein Geigerzähler?

Wird zwischen der Rohrwand und dem Draht des Zählrohrs die Hochspannung angelegt, lässt sich mit dem Geigerzähler radioaktive Strahlung detektieren.

Bei den durch die Alpha-Strahlung, die Beta-Strahlung und die Gamma-Strahlung ionisierten Gasmolekülen wird ein Elektron aus dem Atom herausgeschlagen, das verbleibende Atom ist daher plötzlich positiv geladen. Die freigesetzten negativ geladenen Elektronen wandern zur positiven Elektrode, die positiv geladenen Ionen dagegen zur negativen Elektrode.

Das Gas wird leitend und erzeugt im Draht einen zählbaren Stromimpuls. Nach der Zählung erfolgt die Neutralisation der geladenen Ionen, die sogenannte Totzeit.

Sie beträgt im Allgemeinen wenige Bruchteile von Millisekunden. Danach ist der Geigerzähler für eine neue Zählung bereit.



Typen und Bauformen von Dosimetern

Thermolumineszenz-Dosmiter (TLD)

Das gebräuchlichste Dosimeter ist das Thermolumineszenz-Dosimeter oder kurz TLD zur Messung der Belastung durch ionisierende Strahlung. Diese Geräte sind in Form kleiner Anstecker oder Armbänder verfügbar. Ihr Detektor besteht aus Phosphorkristallen, die Elektronen einfangen können, ohne dass diese durch schädliche ionisierende Strahlung beeinflusst werden. Thermolumineszenz-Dosimeter sind leicht zu tragen und lassen sich bis zu einem Zeitraum von bis zu drei Monaten verwenden.

Filmdosimeter

Ähnlich funktionieren Filmdosimeter in Plakettenform. Die Plakette besteht aus zwei Teilen: einem fotografischen Film und einem Halter. Der Film befindet sich im Innern der Plakette, er ist der Detektor und muss monatlich entnommen und entwickelt werden. Je stärker die Strahlenbelastung, desto stärker ist der Film geschwärzt. Die Schwärzung verläuft linear zur Dosis, die bis zu etwa 10 Gy gemessen werden kann.

Elektronisches Personendosimeter (EPD)

Ein elektronisches Personendosimeter oder EPD ermöglicht eine kontinuierliche Anzeige der kumulativen Dosis sowie der aktuellen Dosisleistung. Es warnt den Träger, wenn eine bestimmte oder eine kumulative Dosis überschritten wird. Elektronische Dosimeter sind besonders nützlich in Bereichen mit hoher Dosis, in denen die Aufenthaltszeit des Trägers begrenzt ist.

MOSFET-Dosimeter

Das MOSFET-Dosimeter ist ein kleines tragbares Gerät zur Überwachung und direkten Ablesung der Strahlendosisleistung. Da es auf einem Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor basiert, funktioniert es wie Halbleiterdetektoren. MOSFET-Dosimeter finden sich heute als klinische Dosimeter zum Beispiel in der Strahlentherapie. Ihr Hauptvorteil ist ihre Kleinheit, die nur wenige Quadratmillimeter beträgt. In der Strahlentherapiedosimetrie ersetzen MOSFET-Dosimeter häufig TLDs, da sie eine sofortige Auslesung ermöglichen.

Quarzfaser-Dosimeter

Ein Quarzfaser-Dosimeter, das manchmal auch als selbstanzeigendes Taschendosimeter oder kurz SIPD bezeichnet wird, ist ein stiftähnliches Gerät. Es misst die kumulative Dosis ionisierender Strahlung über sich selbst entwickelnde photochemische Karten.



Was sind die Vor- und Nachteile von Geigerzählern?

Vorteile

Der technische Vorteil eines Geigerzählers ist seine einfache Konstruktion und seine Unempfindlichkeit gegenüber kleinen Spannungsschwankungen. Da der Prozess der Ladungsverstärkung das Signal-Rausch-Verhältnis des Geigerzählers erheblich verbessert, ist die anschließende elektronische Verstärkung in der Regel nicht erforderlich. Geigerzähler werden insbesondere aufgrund ihrer Empfindlichkeit, ihres einfachen Zählkreises und ihrer Fähigkeit, schwache Strahlung zu erkennen, hauptsächlich als tragbare Instrumente verwendet.

Nachteile

Nachteilig sind die fehlende Partikelidentifikation und die nicht vorhandene Energieauflösung. Da die Impulshöhe unabhängig von der Art und Energie der Strahlung ist, lässt sich eine Charakterisierung nicht durchführen. Geigerzähler können somit weder zwischen verschiedenen Strahlungsarten wie Alpha-, Beta- und Gammastrahlung noch zwischen verschiedenen Strahlungsenergien unterscheiden. Außerdem benötigen Geigerzähler eine sogenannte Totzeit, in der keine Messung stattfindet, da sich die Ladungsträger erst neu formieren müssen.