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Worauf muss ich bei der Geräteauswahl achten?

Radon-Messgeräte werden für wenige Hundert bis einige Tausend Euro angeboten. Werbung und selbst Datenblätter verraten jedoch oft zu wenig über die Eigenschaften der Geräte und die damit verbundenen Einschränkungen. Erst nach dem Kauf stellt man fest, dass ein Gerät für die geplante Anwendung ungeeignet, wenn nicht sogar untauglich ist. Die Messung von Radon ist komplex, jedes Messprinzip hat seine Vor- und Nachteile. Wir erklären die vier gebräuchlichsten Messverfahren und helfen Ihnen, das optimale Gerät für Ihre Anwendung auszuwählen.

Alle Radon-Messgeräte haben eine geschlossene Messkammer, in die das Radon diffundiert oder hineingepumpt wird. Dort zerfällt es und erzeugt radioaktive Tochternuklide, die, da sie allesamt Schwermetalle sind, in der Messkammer bleiben und dort nach und nach weiter zerfallen, bis sie zu nicht mehr radioaktivem Blei geworden sind. Die Anzahl aller innerhalb eines Zeitintervalls – wir sprechen vom Zählintervall – erfassten Zerfälle ist im „Radioaktiven Gleichgewicht“ proportional zur Radon-Aktivitätskonzentration der Messluft. Das radioaktive Gleichgewicht stellt sich für jedes Tochternuklid allerdings erst nach einer gewissen Zeit ein, die von seiner Halbwertzeit abhängt; man rechnet in der Regel mit der fünffachen Halbwertszeit. Es dauert also immer eine gewisse Zeit, bis das Messsignal seinen Endwert erreicht hat; wir sprechen von der Ansprechzeit. Außerdem muss das Zählintervall lang genug sein, dass eine hinreichend hohe Anzahl von Zerfallsereignissen in der Messkammer registriert wird. Beides sind verschiedene Dinge – wenn ein Gerät nach zehn Minuten einen Messwert anzeigt, heißt das nicht, dass dieser bereits den wahren Wert repräsentiert.

Die für die Radonmessung relevanten Tochternuklide erreichen das radioaktive Gleichgewicht erst nach ca. drei Stunden!

Die Zerfälle des Radon und seiner Tochternuklide werden, je nach Messgerät, durch unterschiedliche Messprinzipien in elektrische, zählbare Impulse gewandelt. Zwischen den Messverfahren gibt es wesentliche technische und physikalische Unterschiede.

In modernen Messgeräten gebräuchlich sind:

1 Elektrostatische Abscheidung und α-Spektroskopie mit Halbleiterdetektor

Vorteile:

  • Kürzeste Ansprechzeit durch separate Messung von Polonium-218 (ca. 15 Minuten)
  • Ausblenden der Langzeitkontamination durch Polonium-210
  • Getrennte Messung von Radon und Thoron, Ausblenden des Untergrunds durch Thoron-Tochternuklide
  • Jeder Messwert kann durch das gemessene Spektrum überprüft werden.
  • Sehr geringe untere und sehr hohe obere Messbereichsgrenzen

Nachteile:

  • Aufwändig und relativ teuer durch großflächige Silizium-Detektoren
  • Empfindlich gegen Kondensation
  • Geringe Sensitivität pro Kammervolumen, wenn nur bestimmte Tochternuklide zur Messung verwendet werden

Zwischen einer kuppelförmigen Messkammer und einem großflächigem Silizium-Detektor in ihrer Mitte wird ein Hochspannungsfeld erzeugt. Beim Zerfall von Radon entsteht positiv geladenes Polonium-218. Die Feldgeometrie ist so gestaltet, dass diese Ionen durch elektrostatische Anziehung auf der Oberfläche des Detektors abgeschieden werden. Beim Zerfall des Polonium-218 und aller weiterer Tochternuklide geht die gesamte Emissionsenergie auf den Detektor über. So erzeugt dieser bei jedem Zerfall einen kurzen elektrischen Impuls, dessen Höhe der Emissionsenergie proportional ist. Jedes Tochternuklid besitzt eine andere, genau definierte Emissionsenergie. Dadurch können die Zerfälle für jedes Tochternuklid anhand ihrer Impulshöhe unterschieden und getrennt gezählt werden.

Dieses, α-Spektroskopie genannte, Verfahren bietet so die Möglichkeit, nur die Zerfälle des Polonium-218 zur Messung zu verwenden. Polonium-218 steht in der Zerfallskette ganz am Anfang und hat eine Halbwertzeit von ca. drei Minuten. Das radioaktive Gleichgewicht stellt sich bereits nach 15 Minuten ein.

2 Ionisationskammer

Vorteile:

  • Hohe Sensitivität bezogen auf das Kammervolumen, da alle Zerfälle in die Messung eingehen
  • Einfacher und billiger Aufbau

Nachteile:

  • Wachsender Untergrund und steigende Nachweisgrenze durch Polonium-210-Langzeitkontamination
  • Lange physikalische Ansprechzeit (ca. 3 Stunden)
  • Spektroskopische Trennung von Radon und Thoron nicht möglich
  • Verifizierung des Messwertes nur unvollständig durch zusätzliche Überwachungseinrichtungen möglich
  • Empfindlich gegen Kondensation und Vibrationen
  • Nach unten begrenzter Messbereich durch Kompensation externer Strahlung und spontaner Ionisation
  • Zählende Messung nur bis zu einigen Kilobecquerel pro Kubikmeter

In der Mitte einer zylindrischen Metallkammer befindet sich ein Draht, der als Elektrode fungiert. Zwischen Kammerwand und Draht wird mit einer Hochspannung ein elektrisches Feld erzeugt. Beim Zerfall des Radon und seiner Tochternuklide werden durch die α-Teilchen Luftmoleküle entlang ihrer Flugstrecke ionisiert. Die so entstandenen Ladungsträger ermöglichen einen Stromfluss zwischen der Kammerwand und der Mittelelektrode. Das Zeitintegral des Stromes ist proportional der Anzahl ionisierter Luftmoleküle und somit der übertragenen Emissionsenergie.

Gehen wir der Frage nach, ob mit diesem Verfahren auch ein α-Spektrum ermittelt werden kann!

Die α-Teilchen haben je nach Zerfallsenergie des Nuklids in Luft eine Reichweite von 4 bis 8 cm. Auf ihrem Weg ionisieren sie unterschiedlich viele Luftmoleküle – je länger der Weg, desto mehr. In kleinen Kammern landen viele α-Teilchen an der Wand. Energiereiche α-Teilchen erzeugen deshalb nicht so viele Luftionen, wie sie eigentlich könnten und sind so im resultierenden Stromimpuls nicht von ernergieärmeren α-Teilchen zu unterscheiden.

Macht man die Kammer größer, kommt ein anderer Effekt zum Tragen. Die begrenzte Beweglichkeit der Luftionen führt dazu, dass die durch ein α-Teilchen ionisierten Moleküle eine gewisse Zeit brauchen, bis sie alle an der Kathode angelangt sind. Die Stromimpulsen werden also länger, je größer der Weg ist, den die Ionen zurücklegen müssen. Bereits bei Konzentrationen im Bereich einiger kBq/m³ überlagern sich diese Impulse zu einem andauernden Stromsignal. Aufwändigere Geräte schalten zwar ab einer bestimmten Konzentration vom Impulsbetrieb (Zählung der Zerfälle) in den Strombetrieb um, eine spektroskopische Information lässt sich jedoch nur aus den Impulshöhen, nicht aber aus der im Strombetrieb gemessenen Stromstärke ableiten.

Einen Ausweg bieten großvolumige Kammern mit vielen eng nebeneinander liegenden draht- oder stabförmigen Einzelelektroden. Hier kann die Zerfallsenergie aller Nuklide vollständig in die Luft überragen wird. Außerdem werden kürzere Impulse generiert, da die Luftionen lediglich bis zum nächsten Draht wandern müssen. Trotzdem wird selbst bei solchen technisch aufwendigen Vieldraht-Ionisationskammern die spektroskopische Auflösung dadurch verringert, dass die Ionisationsrate der Luft eine statistische Größe ist. Das Spektrum wird also unscharf. So lassen sich z. B. Polonium-218 und Polonium-214 gut voneinander trennen, während Polonium-216 (Thoron-Folgeprodukt) oder Polonium-210 (Langzeitkontamination) nicht separiert werden können.

3 Szintillationskammer (Lucas-Zelle)

Vorteile:

  • Hohe Sensitivität bezogen auf das Kammervolumen, da alle Zerfälle in die Messung eingehen
  • Unempfindlich gegenüber externer Strahlung, Vibration, Schwankungen von Feuchte und Temperatur
  • Zählende Messung über den gesamten Messbereich

Nachteile:

  • Wachsender Untergrund und steigende Nachweisgrenze durch Polonium-210-Langzeitkontamination
  • Lange physikalische Ansprechzeit (ca. 3 Stunden)
  • Trennung von Radon und Thoron spektroskopisch nicht möglich
  • Verifizierung des Messwertes nur unvollständig durch zusätzliche Überwachungseinrichtungen möglich
  • Nach unten begrenzter Messbereich durch spontan ausgelöste Detektorsignale

Die Innenseite der Messkammer ist mit einem Szintillationskristall beschichtet. Trifft ein bei einem Zerfall emittiertes α-Teilchen auf diese Schicht, wandelt diese die Energie in einen Lichtblitz. An einer Seite der Kammer befindet sich ein Detektor, der das Licht wiederum in einen elektrischen Impuls wandelt. Der Impuls ist sehr kurz, sodass die Szintillationskammer auch bei hohen Radonkonzentrationen im Impulsbetrieb arbeitet.

Eine spektroskopische Messung der Radon-Tochternuklide ist nicht möglich, weil die α-Teilchen einen Teil ihrer Emissionsenergie bereits auf dem Weg zur Kammerwand an die Luft abgeben. Voraussetzung für eine selektive Messung ist aber der vollständige Energietransfer.

Im Gegensatz zur elektrostatischen Abscheidung oder Ionisationskammer werden die Radon-Tochternuklide nicht vollständig an den Oberflächen der Kammer abgeschieden. Ein nicht definierbarer Teil verbleibt in der Messluft und würde im Durchflussbetrieb aus der Kammer gepumpt werden. Damit würde das radioaktive Gleichgewicht gestört und ein zu geringer Messwert berechnet werden. Szintillationskammern arbeiten deshalb meist im Diffusionsbetrieb.

Die zur Wandlung des Lichtsignals verwendeten Detektoren generieren ein Untergrundsignal, sodass die untere Grenze des Messbereiches bei einigen Bq/m³ liegt.

4 Fotodiode

Vorteile:

  • Sehr preiswert

Nachteile:

  • Sehr geringe Sensitivität, die nicht durch ein größeres Kammervolumen kompensiert werden kann; nur bei sehr hohen Konzentrationen zur zeitaufgelösten Messung tauglich
  • Wachsender Untergrund und steigende Nachweisgrenze durch Polonium-210-Langzeitkontamination
  • Lange physikalische Ansprechzeit (ca. 3 Stunden)
  • Trennung von Radon und Thoron spektroskopisch nicht möglich
  • Verifizierung des Messwertes nur unvollständig durch zusätzliche Überwachungseinrichtungen möglich

Dieses Verfahren wird bei sehr preiswerten Radon-Monitoren eingesetzt. Eine Fotodiode generiert ein elektrisches Signal wenn ein α-Teilchen auf die Oberfläche trifft. Es erfolgt aber keine elektrostatische Abscheidung der Radon-Tochternuklide aus dem gesamten Volumen der Messkammer. Lediglich die Zerfälle werden registriert, bei denen das α-Teilchen zufällig den Detektor trifft.

Auch hier verlieren die α-Teilchen bereits einen Teil ihrer Energie in der Luft, sodass eine spektroskopische Messung unmöglich ist.

Die Sensitivität solcher Geräte ist sehr gering, da eine höhere Wahrscheinlichkeit eines „Treffers“ auf die Detektoroberfläche nur bei Zerfällen in der direkten Umgebung der Fotodiode gegeben ist.

In Datenblättern einiger Hersteller wird dieses Verfahren als α-Spektroskopie beworben, was keineswegs zutrifft.