Closer to your application

Was bedeutet Sensitivität? Wie wichtig ist sie?

Je höher die Sensitivität desto geringer sind die statistische Unsicherheit des Messergebnisses und die minimal messbare Radonkonzentration. Liefert also ein Gerät mit höherer Sensitivität immer die genaueren Werte? Nein. Unter Feldbedingungen müssen bei Geräten ohne echte Spektroskopie eine Reihe von Untergrundsignalen kompensiert werden, was wiederum eine Erhöhung von statistischer Unsicherheit und Nachweisgrenze zur Folge hat. Spektroskopische Geräte mit deutlich geringerer Sensitivität liefern dann genauso gute oder bessere Messergebnisse. Der Zusammenhang zwischen Sensitivität und statistischer Unsicherheit ist nicht linear. Je höher die gemessenen Konzentrationen, desto kleiner die Differenz der Unsicherheiten. Lesen Sie die Gründe für diesen Sachverhalt!

Die Messung der Radonkonzentration bedeutet stets das Zählen der innerhalb eines Zeitraumes in einer Messkammer stattfindenden Zerfälle. Ein Messgerät, kann immer nur einen Teil dieser Zerfälle registrieren. Der Parameter Sensitivität (Zähleffizient, counting efficiency) gibt an, wie viele Zerfälle bei einer gegebenen Radonkonzentration tatsächlich detektiert werden. Die Sensitivität hängt vom verwendeten Messprinzip und von der Größe der Messkammer ab. Eine hohe Sensitivität ist gut, aber wegen des technischen Aufwandes teuer oder mit Einschränkungen des Anwendungsbereiches verbunden. Schauen Sie deshalb auf alle Parameter des Messgerätes, wenn Sie nach dem optimalen Gerät für Ihre Anwendung suchen!

Radioaktivität ist ein statistischer Prozess, d. h. auch bei gleichbleibender Radonkonzentration zerfällt in jedem Zeitintervall eine unterschiedliche Anzahl von Radonatomen. Diese Anzahl schwankt um einen Mittelwert (besser Erwartungswert). Die Schwankungsbreite um diesen Erwartungswert wird umso kleiner, je größer der Erwartungswert selbst ist. Ein Messgerät mit hoher Sensitivität registriert eine größere Anzahl von Zerfällen innerhalb eines Zeitintervalls, woraus eine geringere Abweichung einer einzelnen Messung vom Erwartungswert resultiert. Diese Abweichung wird auch als statistische Unsicherheit oder statistischer Fehler bezeichnet. Bei Geräten mit geringer Sensitivität muss deshalb das Zeitintervall sehr lang gewählt werden, um eine hinreichend große Anzahl von Zerfällen für einen akzeptablen statistischen Fehler zu registrieren.

Für Geräte mit höherer Sensitivität gilt:

  • Bei identischer (z. B. maximal zulässiger) statistischen Unsicherheit können geringere Radonkonzentrationen oder kleinere Konzentrationsänderungen gemessen werden.
  • Identische Radonkonzentrationen können bei gleicher Messdauer mit einem geringeren statistischen Fehler gemessen werden.
  • Identische Radonkonzentrationen können bei gleicher Schwankungsbreite des Messwertes in kürzerer Zeit gemessen werden.

Der statistische Fehler erhöht sich jedoch nicht linear mit der Anzahl der detektierten Impulse sondern mit deren Quadratwurzel. Vergleicht man die statistischen Fehler eines Gerätes mit hoher Sensitivität mit denen eines Gerätes mit geringerer Sensitivität, stellt man fest, dass sich deren Schwankungsbreiten bei geringen Konzentrationen und/oder kurzer Messzeit sehr stark unterscheiden. Bei steigenden Konzentrationen nähern sie sich jedoch immer weiter an.

Beispiel: Ein weniger sensitives Gerät 1 detektiert bei einer Radonkonzentration von 100 Bq/m³ 10 Zerfälle, Gerät 2 mit zehnfacher Sensitivität entsprechend 100 Zerfälle.

Radonkonzentration Statistische Unsicherheit Gerät 1 Statistische Unsicherheit Gerät 2
in Bq/m³ in % in %
100 32 10
1000 10 3,2
10000 3,2 1

Diese einfache Abschätzung gilt jedoch nur, wenn alle detektierten Zerfälle der aktuellen Radonkonzentration zugeordnet werden können. Im Feldeinsatz zerfallen in der Messkammer aber auch Nuklide, für die dies nicht gilt und die ein Gerät ohne Spektroskopie nicht voneinander unterscheiden kann. Diese Zerfälle bezeichnet man als Untergrundsignal, welches geschätzt und von der Gesamtanzahl der detektierten Zerfälle abgezogen werden muss. Andernfalls würde ein zu hoher Messwert angezeigt.

Ein Untergrundsignal wird generiert durch:

  • Restaktivität aus vorangegangenen Messungen bei schnell aufeinanderfolgenden Messungen
  • nicht abtrennbares Thoron und seine relativ langlebigen Folgeprodukte
  • Polonium-210-Langzeitkontamination, hervorgerufen durch die Radonmessung selbst
  • Umgebungsstrahlung und spontane Ionisation bei Ionisationskammern

Da sowohl der Anzahl der insgesamt detektierten Impulse als auch dem geschätzten Untergrundsignal eine statistische Unsicherheit zugeordnet ist, addieren sich entsprechend der Gauß‘schen Fehlerfortpflanzung beide bei der Subtraktion. Die Unsicherheit des korrigierten Messwertes steigt je nach Größe des Untergrundes stärker oder weniger stark an.

Geräte mit echter α-Spektroskopie unterscheiden die verschiedenen Nuklide energetisch, sodass diese separat gezählt werden können. Eine Untergrundsubtraktion ist damit nicht erforderlich.

Die erforderliche Sensitivität ist abhängig vom Anwendungsfall und dem verwendeten Messprinzip. Die folgende Tabelle enthält Richtwerte für einige Beispielszenarien.

Szenario Sensitivität
Langzeitmessungen (> 1 Monat) in Räumen zur Bestimmung der mittleren Radonkonzentration im Bereich von 100 bis 500 Bq/m³ > 0,05 cpm/(kBq/m³)
Messung von dynamischen Änderungen, wie Tagesgängen, Lüftungsmaßnahmen usw. im Bereich von 100 bis 500 Bq/m³ > 1,5 cpm/(kBq/m³)
Schnelle (20 Minuten) und wiederholte Messung von Radon in der Bodenluft bei 50 kBq/m³ mit spektroskopischen Geräten > 2,5 cpm/(kBq/m³)
Referenzmessungen zur Ermittlung von Kalibrierfaktoren bei geringen Radonkonzentrationen (< 300 Bq/m³) > 15 cpm/(kBq/m³)

cpm = counts per minute (Anzahl der detektierten Zerfälle innerhalb einer Minute)