Strahlenschutz durch Teilchen-Ablenkung? Experimentelle Untersuchung der Wirkung von homogenen Magnetfeldern auf Beta-Strahlung

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Kapitel 1 - Entstehung radioaktiver Strahlung und das Problem Abschirmung
1.1 Entstehung radioaktiver Strahlung
1.2 Möglichkeiten der Abschirmung
1.3 Problematik
1.4 Alternativen

3. Kapitel II - Experiment/Nachprüfung
2.1 . Fragestellung
2.2 Hypothese
2.3 Das Experiment.
2.3.1 Verwendete Materialien
2.3.2 Versuchsaufbau
2.3.3 Versuchsdurchführung

4. Kapitel III - Auswertung des Versuch.,,
3.1 Auswertung der Messergebnisse

5. Kapitel IV- Fazit, und mögliche Bedeutung für den Strahlenschutz

6. Anhang, Materialanhang, Berechnungen, Erläuterung zu Kapitel 1 und 11

7. Quellenverzeichnis

8. Zeichnerischer Nachweis des Ablenkungswinkels

9. Sonstige

Einleitung

In dieser wissenschaftlichen Ausarbeitung mit dem Thema: " Wirkung von Beta-Strahlung auf homogene Magnetfelder, möchte ich mich mit speziell mit der Wirkung von radioaktiver Strahlung auf Magnetfelder befassen.

Weitere Fragen wie z.b. Warum ist konventioneller Strahlenschutz problematisch ? Oder: Wie kann man Teilchenstrahlung effizienter abschirmen? Werde ich mithilfe eines Versuches und die Auswertung der Ergebnisse beantworten.

Gegen Ende der Ausarbeitung werde ich betrachten inwiefern die ausgearbeiteten Ergebnisse eine Lösung für das Problem darstellen

Das Thema ‘‘Radioaktivität" ist immer aktuell, und interessiert mich persönlich auch sehr

In dieser Ausarbeitung möchte ich auf die Eigenschaften von ionisierender Strahlung eingehen, wie sie sich verhält, und wie man sich eventuell besser und effektiver davor schützen kann.

Zum Strahlenschutz, werde ich noch eine mögliche Alternative aufzeigen, zu anderen bereits bewährten Strahlenschutzmethoden.

Kapitel I. Entstehung radioaktiver Strahlung und das Problem der Abschirmung

1.1 Entstehung radioaktiver Strahlung

Radioaktive, oder besser gesagt ionisierende Strahlung, entsteht beim Zerfall instabiler Atomkerne, Sie versuchen einen energetisch günstigen Zustand zu erreichen durch die Aussendung von Teilchen (a- und ß-Strahlung) und wechseln dabei von einem angeregten Zustand in einen normalen Zustand, wobei die überschüssige Energie in Form von y-Strahlung frei wird.

Bei der a-Strahlung handelt es sich um zweifach positiv geladene Heliumkerne, wohingegen die ß-Strahlung aus negativ geladenen Elektronen und in Einzelfällen auch aus Protonen bestehen kann

Die y-Strahlung lässt sich als Quanten beschreiben.

Zwischen Nukleonen in einem Atomkern (Protonen, Neutronen) wirken sogenannte Kernkräfte, welche dafür sorgen, dass ein Atom zusammenhält, und die Nukleonen stets im Atomkern bleiben.

Bei schwereren Elementen, wie z.B. Thorium, ist die Anzahl der Nukleonen so groß, so dass der Betrag an abstoßenden Kräften übenwiegt, und dadurch die Atomkerne zerfallen, da diese die benachbarten Nukleonen nicht mehr anziehen können, weshalb sich dann eine Kernumwandlung ereignet, bei welcher die überschüssigen Nukleonen in Form von Teilchenstrahlung abgegeben werden.

1.2 Möglichkeiten der Abschirmung

Mit der Abschirmung möchte man die Strahlungsdosis für die Umgebung, oder von Personen in der Umgebung reduzieren, wobei man ein beliebiges Material zwischen der Strahlenquelle und dem Objekt platziert.

Die a-Strahlung der meisten Nuklide hat eine geringe Reichweite von etwa 1-4cm ß-Strahlung erreicht hingegen eine Reichweite von mehreren Zentimetern bis zu ca. 20cm.

Die y-Strahlung hat eine theoretisch unbegrenzte Reichweite, da es sich dabei um elektromagnetische Wellen in Form von Quanten handelt.

Zur Abschirmung von a-Strahlung reicht bereits ein einfaches Blatt Papier aus, wohingegen man bei ß-Strahlung im Bereich von einigen MeV (Megaelektronenvolt) bereits dickere Aluminiumplatten benötigt.

Bei der y-Strahlung lässt sich nur eine Schwächung der Strahlung erzielen, da diese nicht vollständig gestoppt werden kann.

Die Reichweite der jeweiligen Strahlungsarten ist dabei abhängig von der Energie der Teilchen, bzw. Quanten, und von der Halbwertsdicke2* des jeweiligen Materials.

a-Strahlung hat eine im Vergleich zu ß-Strahlung und y-Strahlung eine hohe Masse, hohe Wechselwirkung mit Materie, und dementsprechend eine geringe Reichweite

Ein α-Teilchen {Heliumkern) hat eine hohe Masse, wohingegen ß-Strahlung (Elektron) wenig Masse, und y-Strahlung (Quant) so gut wie keine Masse besitzen, nach der Formel:

E = mc²

(Siehe relativistischer Ansatz Abb. Unten, Sowie Anhang: Berechnungen zu der Hypothese)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

y-Strahlung besitzt, im Gegensatz zu ß und a-Strahlung, keine Ruhemasse m

Besonderheiten der y-Strahlung bei der Abschirmung

Die Halbwertsdicke zur Bremsung der y-Strahlung wird wie folgt bestimmt:

Das Verhältnis aus der Dosisleistung H, die ohne Abschirmung ermittelt wird, und der Dosisleistung H[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] der Strahlung am gleichen Ort mit Abschirmung der Dicke [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] wird als Schwächungsfaktor Sy der Strahlung bezeichnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für den Kehrwert des Schwächungsfaktors ergibt sich die Formel:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hierbei bezeichnet μ den Schwächungskoeffizienten. Für die Halbwertsdicke d1 /2 gilt also:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Somit ergibt sich die Halbwertsdicke d 1/2 aus dem

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dadurch lässt sich dann die Halbwertsdicke, zur Bremsung der y-Strahlung, für bestimmte Materialien berechnen.

1.3 Problematik

Durch die Abschirmung von radioaktiver Teilchenstrahlung entsteht ein Problem, und damit auch das Kernproblem.

Bei der Abschirmung von Teiichenstrahlung, und der damit verbundenen Wechselwirkung der Strahlung mit dem Absorbermaterial, wird bei der Verlangsamung der a- bzw. ß-Strahlung die überschüssige Energie durch die Geschwindigkeitsänderung der Teilchen in Form von hochenergetischer Röntgenstrahlung frei.

Dieser Effekt tritt vor allem bei schweren Elementen mit einer großen Anzahl an Nukleonen auf.

Diese Röntgenstrahlung^* ist auf dem elektromagnetischen Spektrum neben der y-Strahlung anzusiedeln, und gleicht dieser in einigen Punkten.

Die dadurch entstehende Röntgenstrahlung lässt sich wiederum nur schwer abschirmen.

Die Bremsstrahlung entsteht meist vorzugsweise bei schweren Elementen, da schwere Elemente stärker absorbieren als leichte, und deshalb die Bildung von Bremsstrahlung begünstigt wird.

Der Tunneleffekt spielt bei der Abschirmung eine wichtige Rolle.

Photonen, oder y-Strahlung, die als Photon vorliegt ist in der Lage Materie zu durchdringen, wobei ausreichend Energie vonnöten ist.

Eine Betrachtungsweise dieses Effekts geht von der Schrödingergleichung aus, einer Gleichung die angibt wo sich ein Photon aufhalten kann.

Der Tunneleffekt lässt sich wie folgt erklären:

Dieses Photon dringt in die Materie ein und klingt exponentiell ab. Durch den exponentiellen Abfall der Energie des Photons in der Materie bleibt am Ende des Bereiches noch ein Rest der ursprünglichen Energie übrig. Da nach den Regeln der Quantenmechanik der Betrag der Wellenfunktion eine Wahrscheinlichkeit darstellt, gibt es eine kleine Wahrscheinlichkeit dass das Teilchen am anderen Ende der Barriere auftaucht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zitat aus 1 ) "Schematische Darstellung des Tunneleffekts.

Ein Teilchen trifft von links kommend auf eine Potentialbarriere. Die Energie des getunnelten Teilchens bleibt gleich, nur die Amplitude der Wellenfunktion wird kleiner und somit die Wahrscheinlichkeit, das Teilchen aufzufinden, „

(Siehe u.a.1.2, Halbwertsdicke; Abschnitt Besonderheiten der y-Strahlung bei der Abschirmung)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

An diesem Beispiel wird ersichtlich wie ein Elektron in der nähe eines Atomkerns abgebremst wird, und die überschüssige Energie in Form eines Quants frei wird.

Die Energie des Photons entspricht dabet der E* mal E: des gebremsten Elektrons oder h mal f

1.4 Alternativen

Als Alternative zu konventionellen Strahlenschutzmaßnahmen, wie z.B. Bleiabschirmungen, oder PVC, könnte man beispielsweise Elemente mit geringer Anzahl an Nukleonen nutzen (Niedrigere Ordnungszahl), und dafür in Verbindungen mit hoher Dichte um die Strahlung abzuschirmen wodurch auch das auftreten von Bremsstrahlung minimiert wird.

Weiterhin könnte man die Nutzung von nicht-materiellen Strahlenschutzmaßnahmen in Erwägung ziehen, wie zum Beispiel Magnetfelder oder andere geladene Teilchen welche keine ionisierende Wirkung haben.

Kapitel II. Experiment / Nachprüfung

2.1 Fragestellung

Ziel des Versuchs ist es. eine mögliche Alternative zu den aktuell verwendeten konventionellen Strahienschutzmaßnahmen (Siehe u.a.1.2, Möglichkeiten der Abschirmung ; Halbwertsdicke; Abschnitt Besonderheiten der y-Strahlung bei der Abschirmung) aufzuzeigen, mit welcher große Materialkosten entfallen müssten.

Das Kernproblem ist die mit der Entstehung von Bremsstrahlung, beziehungsweise Sekundärstrahlung einhergehende Abschirmungsschwierigkeit, welche zum Beispiel mithilfe eines Magnetfeldes ausbleiben sollte.

In diesem Versuch werde ich untersuchen ob, sich die für menschliches Gewebe äußert schädliche und direkt ionisierende ß-Strahlung, durch ein Magnetfeld ohne Bildung von Sekundärstrahlung, und Röntgenstrahlung durch ein homogenes Magnetfeld abschirmen oder ablenken lässt,

2.2 Hypothese:

Hinweis: Da in der Atomphysik in der Regel die eingesetzten Energiewerte so niedrig sind um sie vernünftig in Joule auszudrücken, wird die Einheit Elelektronenvolt (eV) verwendet.

Ich nehme an, dass die negativ geladenen Teilchen der Teilchenstrahlung durch die Magnetpole abgelenkt, beziehungsweise abgeschirmt werden, ohne dabei Sekundärstrahlung, Tscherenkow- Strahlung oder sonstige Sekundärstrahlung zu erzeugen.

Die Berechnungen finden Sie im Abschnitt Berechnungen zu der Hypothese im Materialanhang

Nachweis der Strahlung im Geiger-Müller Zählrohr

In dem Geiger-Müller Zählrohr befindet sich ein Gas, welches durch Ionisation leitfähig gemacht wird.

An beiden Enden dieser Gaskammer befinden sich jeweils Anode und Kathode Solange das Gas nicht leitfähig ist, kommt es zu keinem Stromfiuss.

Wenn schnelle ß-Teilchen, oder radioaktive Strahlung allgemein, auf die Gaskammer trifft, wird das Gas leitfähig, und es entsteht ein Stromfluss.

Dieser Impuls wird dann schließlich gemessen, und es erfolgt eine Anzeige auf der analogen Skala Da davon auszugehen ist, dass die ß-Strahlung abgelenkt wird, wird der Ablenkungswinkel in 10-Grad Schritten zu der Strahlungsquelle gemessen.

Dabei ist jedoch davon auszugehen, dass bei der γ-Strah lung keine Ablenkung erfolgt, da es sich dabei um neutrale Photonen handelt.

(Siehe dazu Hinweis unter Abschnitt Hypothese, und Berechnungen sowie relativistischer Ansatz im Anhang: Berechnungen zu der Hypothese)

2.3 Das Experiment

2.3.1 Verwendete Materialien:

2x Spulen mit N=500 , L=5mH , R=2,5Q und max. I=2,5A

1x U-Kern für Spulen

2x Magnetschuhe für Elektromagnet und U-Kern

1x Digitalmultimeter von Peaktech 3340 DMM

4x Kabel zur Verbindung

1x Messgerät für und mit Hall-Sonde, zur Messung des Hall-Effekts

1x Geiger-Müller Zählrohr mit Analoganzeige für ß und γ-Strahlung, mit Angabe der Energiedosis

1x Stromquelle für Stromstärken von 500mA bis 2500mA

1x Geometriedreieck mit 1m Hypothenusenlänge, zur Winkelmessung

4x Stativstangen

3x Stativfüße

4x Muffen

1x Kompassnadel

1x Strahlenquelle (Thorianit mit hohem Proaktinium/Thorium Anteil >81%, und mindestens 1 pGy festellbarer Energiedosis, und 1kBq Aktivtät)

2.3.2 Versuchsaufbau:

Für die Erzeugung des Magnetfeldes wurden folgende Materialien verwendet:

Zwei Spulen von Leybold mit einer Windungszahl von N= 500 Windungen, einem Widerstand von R=2,5 Ohm, Induktivität 5mH und einer maximalen Stromstärke von l= 2500mA

Ein U-Eisenkern, auf welchem beide Spulen in einem bestimmten Abstand voneinander platziert wurden.

Zwei Magnetschuhe, welche auf den beiden Enden des U-Kerns platziert werden, überden Spulen, mit Kontakt zu dem gegenüberliegenden U-Kern.

Eine Stromquelle, welche Gleichspannung von 500mA bis 2500mA erzeugt.

Vier Kabel zur Verbindung von Stromerzeuger zu Spule 1, Spule 1 zu Spule 2, Spule 2 zum Multimeter, und Multimeter zurück zu dem Stromquelle. Dabei werden die Spulen in Reihe geschaltet.

Zur Messung der Stromstärke wurde ein Digitalmultimeter von Peaktech verwendet (Peaktech 3340 DMM).

Es wurden drei Stativfüße verwendet, drei Stangen, und zwei Muffen, um ein großes Geodreieck zu befestigen, welches nachher zur Winkelmessung gebraucht wird.

Eine weitere Stange wird zwischen zwei Stangen waagerecht befestigt, und mit einer Muffe wird ein Reagenzglashalter senkrechtzu der Richtung der Stange befestigt, um das Geiger-Müller Zählrohr zu befestigen.

Um das Gewicht des Geiger-Müller Zählrohrs auszugleichen, wird zum austarieren ein 0,5kg Gewicht verwendet, welches mithilfe eines Fadens an der anderen Seite des Reagenzglashalters befestigt wird.

Zum Schluss wird die Magnetfeldstärke im Magnetfeld mithilfe der Bestimmung des Hali-Effekts, durch eine Hall-Sonde gemessen, um sicherzustellen, dass ein homogenes Magnetfeld vorliegt.

Abbildung zum Versuchsaufbau: siehe Anhang

2.3.3 Versuchsdurchführung

Zu Beginn des Versuchs das Geiger-Müller Zählrohr an dem Reagenzglashalter, und verbindet dieses mit dem Messgerät

Mit dem Geiger-Müller Zählrohr misst man zuerst die Energiedosis in dem Abstand, in welchem man auch den Versuch durchführen möchte, ohne bestehenden Magnetfeld, und notiere sich die Energiedosis.

Für diesen Versuch wurden die Stromstärken 500mA , 1000mA, 1500mA und 2000mA gewählt.

Man schalte die Stromquelle an, und beginne zuerst mit einer Stromstärke von 500mA bei variierender Spannung.

Man messe die Stromstärke anhand des Digitalmultimeters, und diese sollte -500mA,betragen, und über die 4 Messreihen jeweils um 500mA gesteigert werden.

Mithilfe einer Kompassnadel, die man in die Nähe des Magnets platziert, lässt sich dann feststellen welcher Pol positiv, und welcher negativ ist.

Nun misst man mithilfe einer Hall-Sonde die Magnetfeldstärke im Bereich des ganzen Magnetfeldes.

Dabei sollen die gemessenen Werte über den ganzen Magnetfeldbereich in etwa identisch sein, weshalb man dann davon ausgehen kann, dass ein homogenes Magnetfeld besteht.

[...]

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^2* Als Halbwertsschicht oder Halbwertsdicke bezeichnet man diejenige Dicke eines durchstrahlten Materials, die bei elektromagnetischer Strahlung, wie etwa у-oder Röntgenstrahlung, die Strahlungsintensität und damit die Dosisleistung um die Hälfte reduziert.