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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung unkontrolliert freigesetzter radioaktiver Isotope in Bereichen kosmischer Strahlung.
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In der Erdatmosphäre treten Strahlungsfelder mit unterschiedlichen Zusammensetzungen auf, die zumeist aus kosmischer Strahlung und in Einzelfällen aus Strahlung unkontrolliert freigesetzter radioaktiver Isotope resultieren. Die unkontrolliert freigesetzten radioaktiven Isotope können natürlichen oder künstlichen Ursprungs sein. Als kosmische Strahlung wird Strahlung bezeichnet, die aus dem Weltall, beispielsweise in der Galaxis erzeugt, in die Erdatmosphäre eindringt. In großen Höhen ist die Strahlenexposition aufgrund der galaktischen kosmischen Strahlung im Vergleich mit terrestrischen Expositionen teilweise stark erhöht. Dies führt dazu, dass die Strahlenexposition auf den Reiseflughöhen der Zivilluftfahrt beispielsweise um bis zu einem Faktor 100 höher ist als auf der Erdoberfläche. Neben dieser beobachteten Höhenabhängigkeit besteht eine starke Abhängigkeit des Strahlungsfeldes von der lokalen Abschirmwirkung des Erdmagnetfeldes, beispielsweise parametrisiert durch den geomagnetischen Breitengrad. Einen weiteren Einfluss auf das Strahlungsfeld hat die Variation des interplanetaren Magnetfelds durch den solaren Zyklus. Diese verschiedenen unabhängigen Einflüsse führen zu einem in Komposition und Energieverteilung sehr komplexen Strahlungsfeld im Bereich der Luftfahrt. Neben der galaktischen kosmischen Strahlung gibt es innerhalb des solaren Zyklus auch zeitweise Strahlungsbeiträge durch die solare kosmische Strahlung, wenn durch Strahlungsausbrüche auf der Sonne, sogenannten SPEs (englische Abkürzung für ”Solar Particle Events”), Teilchen mit Energien erzeugt werden, die groß genug sind, um die Magnetosphäre und die oberen Schichten der Atmosphäre durchdringen zu können.
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Durch Unglücke, wie beispielsweise Reaktorunfälle, können die dabei unkontrolliert freigesetzten radioaktiven Isotope lokal einen großen Beitrag zum Strahlungsfeld leisten, wenn beispielsweise eine sogenannte radioaktive Wolke gebildet wird. Während die Strahlungskomponenten der kosmischen Strahlung nicht zu einer Kontamination von sich in diesem Strahlungsfeld befindlichen Objekten führen, können die unkontrolliert freigesetzten radioaktiven Isotope eine nicht unerhebliche Kontamination der entsprechenden Objekte hervorrufen. So ist beispielsweise bei einem Flug durch ein ausgedehntes Gebiet erhöhter Umweltradioaktivität (radioaktive Wolke) mit einer Kontamination des jeweiligen Luftfahrzeugs zu rechnen. Eine Dekontamination des Luftfahrzeugs wäre mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Darüber hinaus ist durch die Verordnung zur Strahlenschutzvorsorge bei radioaktiv kontaminierten Luftfahrzeugen vom 19. März 2011 ein Grenzwert für den zulässigen Kontaminationswert für eine Oberflächenkontamination an Luftfahrzeugen festgelegt.
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Bei der Messung eines Strahlungsfeldes besteht jedoch das Problem, dass es auf einfachem Wege nicht möglich ist, festzustellen, ob unkontrolliert freigesetzte radioaktive Isotope, die eine Kontamination von Objekten hervorrufen würden, einen Beitrag zum Strahlungsfeld leisten. Herkömmliche Dosismessgeräte, die eine Aufzeichnung der Stärke eines Strahlungssignals im sensitiven Messvolumen erlauben, sind beispielsweise Halbleiterdetektoren, Proportionalzähler etc. Diese Instrumente ermitteln die Strahlenexposition externer Quellen und sind nahezu unempfindlich für Alpha- und Betateilchen. Alpha- und Betastrahlen sind somit nur über die mit dem jeweiligen Kernübergang verbundene Emission von Gammastrahlung nachweisbar. Kontaminationsmonitore, die oberflächensensitiv eine Kontamination mit Alpha- und Betastrahlen nachweisen können, werden durch die kosmische Strahlung so stark gestört, dass nur extrem hohe Kontaminationen qualitativ gegen diese diskriminierbar sind.
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Ein zusätzlicher Dosisbeitrag durch unkontrolliert freigesetzte radioaktive Isotope, beispielsweise durch I-131 oder Cs-137, ist zwar mit den genannten Instrumenten zur Messung des Strahlungsfeldes nachweisbar, aber außer bei extremer Kontamination, d. h. jenseits der in der Luftfahrzeuge-EilV angegebenen Grenzwerte, nicht als solcher erkennbar. Dies ist im Wesentlichen darin begründet, dass ein deutlicher Anstieg beispielsweise der Dosis aufgrund des komplexen Strahlungsfeldes insbesondere auf Reiseflughöhen und seiner Abhängigkeiten von der lokalen Abschirmwirkung des Erdmagnetfeldes, der Flughöhe und des solaren Zyklus nicht zuverlässig als Hinweis auf eine erhöhte Radioaktivität aufgrund unkontrolliert freigesetzter radioaktiver Isotope gewertet werden kann. Die Dosisrate auf Reiseflughöhen könnte beispielsweise aufgrund eines solaren Teilchenereignisses um einen Faktor 10 oder mehr ansteigen, ohne dass dies mit einer Kontamination des Luftfahrzeugs verbunden wäre.
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Insbesondere in der Luftfahrt ist es jedoch wünschenswert, ein Gebiet mit einer erhöhten Konzentration von unkontrolliert freigesetzten radioaktiven Isotopen, beispielsweise eine radioaktiven Wolke, bereits frühzeitig zu erkennen, um diese umfliegen zu können. Herkömmliche Kontaminationsmonitore sind für einen derartigen Zweck unbrauchbar, da diese aufgrund der immer vorhandenen kosmischen Strahlung erst dann einen Nachweis ermöglichen, wenn bereits eine hohe Kontamination vorliegt, so dass es bereits zu einer nicht unerheblichen Kontamination beispielsweise des Luftfahrzeugs gekommen ist, was eine kostenträchtige Dekontamination mit sich führt, sofern diese überhaupt durchführbar ist.
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Mit den genannten Dosismessgeräten ist es jedoch bisher nicht erkennbar, ob bei einem Anstieg der gemessenen Werte es sich um einen Anstieg, der keine Kontamination hervorrufenden kosmischen Strahlung, beispielsweise durch einen Strahlungsausbruch auf der Sonne oder durch eine Veränderung der lokalen Abschirmwirkung des Erdmagnetfeldes handelt, oder ob die Messwerte aufgrund beispielsweise einer radioaktiven Wolke ansteigen.
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DE 197 11 124 C2 offenbart ein Verfahren, bei dem künstliche Gammastrahlung durch einen zuvor bestimmten konstanten Referenzwert, der aus der natürlichen Gammastrahlung gewonnen wird, erkannt wird. Ein derartiger Referenzwert ist jedoch empfindlich gegenüber dem bei erhöhter kosmischer Strahlung vorhandenen Neutronenanteil, so dass das Verfahren in einem derartigen Bereich nur bedingt einsetzbar ist.
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US 2009/0057562 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zur Dosismessung, wobei die von unterschiedlichen Strahlungsarten in einem Detektor hervorgerufenen Wechselwirkungsmuster zur Kategorisierung genutzt werden und über Wichtungsfaktoren eine Äquivalenzdosis abgeschätzt wird.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem unkontrolliert freigesetzte radioaktive Isotope in Bereichen kosmischer Strahlung auf einfache Art und Weise bestimmt werden können.
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Zur Lösung der Aufgabe dient ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur quantitativen Bestimmung unkontrolliert freigesetzter radioaktiver Isotope in Bereichen kosmischer Strahlung, insbesondere in Bereichen mit erhöhter kosmischer Strahlung, wie beispielsweise in Bereichen von Reiseflughöhen der zivilen Luftfahrt, weist folgende Schritte auf:
- – Messung eines Strahlungsfeldes, unter Verwendung eines sensitiven Volumens
- – Bestimmung der Energiedosis D des Strahlungsfeldes,
- – Bestimmung eines Charakterisierungsfaktors C des Strahlungsfeldes in Abhängigkeit von durch Einzelereignisse im sensitiven Volumen erzeugten Signalen,
- – Diskriminierung eines Strahlungsbeitrags durch unkontrolliert freigesetzte radioaktive Isotope am Strahlungsfeld, wobei eine quantitative Bestimmung von locker ionisierender Strahlung durch eine Analyse des Charakterisierungsfaktors C und der Energiedosis D erfolgt, wobei der Charakterisierungsfaktor C eine Bewertungsgröße für die Charakterisierung der Ionisationsstärke des Strahlungsfeldes ist.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die kosmische Strahlung insbesondere auf Reiseflughöhen einen ausgeprägten Anteil dicht ionisierender Strahlung, z. B. Neutronen, enthält, wohingegen es sich bei durch unkontrolliert freigesetzte radioaktive Isotope emittierte Gammastrahlung um locker ionisierende Strahlung handelt. Der Charakterisierungsfaktor C des Strahlungsfeldes wird aus den Signalen bzw. aus dem aus den Signalen gebildeten Signalspektrum eines das sensitive Volumen aufweisenden Detektors ermittelt. Durch eine Analyse des Charakterisierungsfaktors bzw. seiner zeitlichen Entwicklung kann eine quantitative Bestimmung von locker ionisierender Strahlung erfolgen und somit ein Strahlungsbeitrag durch unkontrolliert freigesetzte radioaktive Isotope am Strahlungsfeld erkannt werden.
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Die Analyse des Charakterisierungsfaktors kann beispielsweise durch zuvor erstellte Referenzwerte für den Charakterisierungsfaktor und die Energiedosis erfolgen. Dabei können die Referenzwerte beispielsweise in Abhängigkeit vom Ort oder dem solaren Zyklus variieren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorsehen, dass der zeitliche Verlauf der Energiedosis und des Charakterisierungsfaktors C bestimmt wird. Dadurch kann die zeitliche Veränderung der Energiedosis D und des Charakterisierungsfaktors C analysiert werden. Dadurch lässt sich beispielsweise erkennen, ob die Energiedosis D oder der Charakterisierungsfaktor C sich zeitlich verändern, wodurch dann auf eine quantitative Veränderung des Anteils der locker ionisierenden Strahlung im Strahlungsfeld geschlossen werden kann.
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Es ist vorgesehen, dass der Charakterisierungsfaktor C eine Bewertungsgröße für die Charakterisierung der Ionisationsstärke des Strahlungsfeldes ist.
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Es hat sich herausgestellt, dass sich bei der Wahl eines derartigen Charakterisierungsfaktors ein Strahlungsbeitrag durch unkontrolliert freigesetzte radioaktive Isotope am Strahlungsfeld in vorteilhafter Weise bestimmen lässt.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Charakterisierungsfaktor C die biologische Wirkung unterschiedlicher Strahlung charakterisiert. Dabei kann der Charakterisierungsfaktor C der Quotient einer Aquivalentdosis und der Energiedosis D sein. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die Äquivalentdosis die Umgebungsäquivalentdosis H*(10) ist. In diesem Fall ist der Charakterisierungsfaktor C der Qualitätsfaktor Q des Strahlungsfeldes.
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Die Wahl des Charakterisierungsfaktors C als Qualitätsfaktor Q ist besonders vorteilhaft, da dieser Wert bereits mit herkömmlichen Dosimetern bestimmbar ist. Derartige Dosimeter sind teilweise bereits in Luftfahrzeugen zur Messung der Strahlenexposition während eines Fluges vorhanden, so dass das erfindungsgemäße Verfahren ohne zusätzlichen bzw. nur mit geringem zusätzlichen vorrichtungstechnischen Aufwand durchgeführt werden kann. Dabei kann eine Auswertung der durch diese Dosimeter ausgegebenen Signale durch den Bediener oder durch eine entsprechend installierte Software erfolgen.
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Der Charakterisierungsfaktor C kann über eine Gewichtungsfunktion bestimmt werden, die eine Filterung des Signalspektrums von nachzuweisenden Isotopen beinhaltet. Auf diese Weise kann die Messgenauigkeit erhöht werden, so dass bereits geringere Konzentrationen von nachzuweisenden Isotopen diskriminiert werden können.
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Die Gewichtungsfunktion kann beispielsweise die Signale durch Gammalinien der Isotope I-131 und/oder Cs-137 verstärken. Derartige Isotope treten insbesondere in durch Reaktorunfälle erzeugten radioaktiven Wolken auf.
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Bei der Analyse des Charakterisierungsfaktors C kann eine Gewichtung eines aus den Signalen erzeugten Signalspektrums der Strahlung, beispielsweise des Energieverlustspektrums der Strahlung, erfolgen.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur quantitativen Bestimmung unkontrolliert freigesetzter radioaktiver Isotope in Bereichen kosmischer Strahlung, insbesondere in Bereichen mit erhöhter kosmischer Strahlung, wird mit folgenden Schritten durchgeführt. In einem Dosismessgerät, beispielsweise einem Halbleiterdetektor oder einem Proportionalzähler, wird ein Strahlungsfeld gemessen. Dabei wird die Energiedosis D des Strahlungsfeldes bestimmt. Ferner wird in Abhängigkeit von der in Einzelereignissen im sensitiven Volumen deponierten Energiedosis D ein Charakterisierungsfaktor C des Strahlungsfeldes bestimmt. Der Charakterisierungsfaktor C kann der Qualitätsfaktor Q des Strahlungsfeldes sein, indem über das Dosismessgerät die Umgebungsäquivalentdosis H*(10) bestimmt wird. Der Qualitätsfaktor Q ergibt sich dabei aus dem Quotienten der Umgebungsäquivalentdosis H*(10) und D.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in der Luftfahrt eingesetzt werden, um zu verhindern, dass Flugzeuge durch unkontrolliert freigesetzte radioaktive Isotope kontaminiert werden. Insbesondere in Reiseflughöhen existiert jedoch ein Strahlungsfeld, das sich aus galaktischer kosmischer Strahlung und solarer kosmischer Strahlung zusammensetzt. Mit den verwendeten Dosismessgeräten lässt sich bei der bekannten Verwendung jedoch nicht ermitteln, ob die gemessene Energiedosis D durch die kosmische Strahlung oder durch unkontrolliert freigesetzte radioaktive Isotope hervorgerufen wird. Die verwendeten Dosismessgeräte sind gegenüber Alpha- und Betateilchen nahezu unempfindlich und weisen lediglich die mit dem jeweiligen Kernübergang bei Alpha- und Betastrahlern verbundenen Emissionen von Gammastrahlung nach.
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Bei der Verwendung der bekannten Dosismessgeräte wird ferner nur die in Kontrollvolumina durch die Strahlung deponierte Energie gemessen, jedoch nicht die in dem Kontrollvolumen zurückgelegte Wegstrecke. Dadurch ist eine konkrete Charakterisierung der gemessenen Strahlung auf herkömmliche Weise nicht möglich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun vor, dass der Charakterisierungsfaktor C, beispielsweise der Qualitätsfaktor Q, analysiert wird, um den Beitrag der locker ionisierenden Strahlung quantitativ zu bestimmen, und somit den Strahlungsbeitrag durch unkontrolliert freigesetzte radioaktive Isotope am Strahlungsfeld zu diskriminieren. Da die kosmische Strahlung einen ausgeprägten Anteil an dicht ionisierender Strahlung aufweist, wohingegen die durch unkontrolliert freigesetzte radioaktive Isotope hervorgerufene Gammastrahlung locker ionisierend ist, ist auf diese Weise der Strahlungsbeitrag durch unkontrolliert freigesetzte radioaktive Isotope am Strahlungsfeld auf besonders vorteilhafte Weise zu diskriminieren. Der Qualitätsfaktor ist in Abhängigkeit des linearen Energietransfers (LET) definiert, so dass dieser eine Gewichtung des Signalspektrums als konkrete Ausprägung eines allgemeinen Charakterisierungsfaktors C darstellt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere der zeitliche Verlauf der Energiedosis D und des Charakterisierungsfaktors C, also beispielsweise des Qualitätsfaktors Q, bestimmt. Der Qualitätsfaktor Q ändert sich dabei innerhalb der nicht kontaminierten Atmosphäre durch die kosmische Strahlung in Abhängigkeit von der lokalen Abschirmwirkung des Erdmagnetfeldes. Eine Höhenabhängigkeit konnte in Höhenbereichen der zivilen Luftfahrt in den Grenzen der Messgenauigkeit nicht beobachtet werden. Der Qualitätsfaktor Q nimmt dabei im komplexen Strahlungsfeld der kosmischen Strahlung Werte von ca. 1,9 am Äquator bis 2,6 in der Polarregion an.
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Bei der Analyse des Qualitätsfaktors Q zur quantitativen Bestimmung des Anteils der locker ionisierenden Strahlung können nun zwei einfache Fälle unterschieden werden. Bei einem Anstieg der Energiedosis D und unverändertem oder ebenfalls ansteigendem Qualitätsfaktor Q erfolgt eine Änderung des Wertes aufgrund kosmischer Strahlung, d. h. das Strahlungsfeld wird im Wesentlichen durch kosmische Strahlung zusammengesetzt und die Änderung tritt aufgrund der Veränderung beispielsweise der lokalen Abschirmwirkung des Erdmagnetfeldes oder durch einen Strahlungsausbruch auf der Sonne auf.
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Wenn in einem zweiten Fall die Energiedosis D ansteigt, wohingegen der Qualitätsfaktor Q absinkt, kann auf eine Veränderung des Strahlungsfeldes geschlossen werden, in dem sich das Strahlungsfeld durch kosmische Strahlung und Radioaktivität durch, evtl. auch unkontrolliert, freigesetzte radioaktive Isotope zusammensetzt. In diesem Fall kann ein Beitrag der von diesen Isotopen emittierten Gammastrahlung in Form von locker ionisierender Strahlung bestimmt werden.
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Der mathematische Zusammenhang wird im Folgenden erläutert. Der Qualitätsfaktor Q wird durch folgende Gleichung bestimmt: Q = H*(10) / D
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Dabei sind Dosisgrößen additiv, so dass das zusammengesetzte Strahlungsfeld wie folgt beschrieben werden kann: D = DC + DA und H*(10) = HC*(10) + HA*(10)
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Der Index C steht dabei für kosmische Strahlung und der Index A für Aktivität, d. h. durch beispielsweise unkontrolliert freigesetzte radioaktive Isotope erzeugte radioaktive Strahlung.
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QC ist dabei etwa größer oder gleich 2 und QA = 1, da ausschließlich der Beitrag durch die Gammastrahlung gemessen wird. Daraus folgt mit DA > 1 aus der oben entwickelten Gleichung Q < QC, d. h. der Qualitätsfaktor Q als konkrete beispielhafte Darstellung des Charakterisierungsfaktors C wird in einem zusammengesetzten Strahlungsfeld mit signifikantem Anteil an Radioaktivität kleiner.
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Die beschriebene Fallunterscheidung wird im Folgenden anhand eines Beispiels erläutert.
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Bei einem mittleren Qualitätsfaktor des natürlichen kosmischen Strahlungsfeldes Von QC = 2,5 und einer Energiedosisrate dDC/dt = 4 μGy/h, d. h. einer Umgebungsäquivalentdosisrate dHC*(10)/dt = 10 μSv/h, ergibt sich bei einem Zusatzbeitrag durch erhöhte Radioaktivität durch unkontrolliert freigesetzte radioaktive Isotope von dDA/dt = 2 μGy/h, d. h. dHA*(10)/dt = 2 μSv/h (mit QA = 1 bei Gammastrahlung) eine Energiedosisrate dD/dt = 6 μGy/h und eine Umgebungsäquivalentdosisrate dH*(10)/dt = 12 μSv/h. Dieses auf Nordrouten realistische Szenario galaktischer kosmischer Strahlung (dD/dt = 4 μGy/h; Q = 2,5; dH*(10)/dt = 10 μSv/h) würde im Falle der beispielhaft mit einer Kontamination verbundenen Dosisratenerhöhung ΔdHC*(10)/dt = 2 μSv/h zu einem um 20% reduzierten Qualitätsfaktor von Q = 2 führen, während dieser bei einem Zusatzbeitrag von ΔdHC*(10)/dt = 2 μSv/h durch einen solaren Strahlungsausbruch unverändert bei 2,5 bliebe bzw. sogar noch leicht ansteigen könnte.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können selbstverständlich auch andere Charakterisierungsfaktoren C des Strahlungsfeldes verwendet werden. Der Charakterisierungsfaktor C ist eine Bewertungsgröße für die Charakterisierung der Ionisationsstärke des Strahlungsfeldes. Dabei kann der Charakterisierungsfaktor C die biologische Wirkung unterschiedlicher Strahlung charakterisieren. Der Charakterisierungsfaktor kann auch über eine Gewichtungsfunktion bestimmt werden, die eine Filterung des Signalspektrums von nachzuweisenden Isotopen vornimmt. Die Gewichtungsfunktion kann insbesondere die Gammalinien der Isotope I-131 (Jod) und/oder Cs-137 (Cäsium) verstärken. Diese Isotope treten häufig in radioaktiven Wolken nach Reaktorunfällen auf.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auf einfache Art und Weise durch die Verwendung von herkömmlichen Dosismessgeräten durchführen. Dadurch ist das erfindungsgemäße Verfahren mit geringem vorrichtungstechnischen Aufwand durchführbar, da derartige Dosismessgeräte häufig bereits in Luftfahrzeugen vorhanden sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit, dass während eines Fluges mit einem Luftfahrzeug eine radioaktive Wolke bereits an ihrem Randbereich erkannt werden kann, so dass das Umfliegen der radioaktiven Wolke ermöglicht werden kann. Dadurch können Kontaminationen des Luftfahrzeugs verringert oder vermieden werden.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren in anderen Bereichen als der Luftfahrt einzusetzen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in der Raumfahrt oder auf der Erde in Bereichen mit erhöhter kosmischer Strahlung eingesetzt werden.
