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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-87630
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8763/


Dambacher, Markus

Entwicklung eines digitalen Detektorsystems zur spektroskopischen Überwachung der Umweltradioaktivität auf Basis von (Cd,Zn)Te Detektoren

Development of a digital spectroscopic system to monitor environmental radioactivity with (Cd,Zn)Te detectors

Dokument1.pdf (19.896 KB) (md5sum: 3afc08281502c8797047a8d8a7afb2b8)

Kurzfassung in Deutsch

Die Wichtigkeit einer Überwachung der Umweltradioaktivität wird durch nukleare Katastrophen wie in Tschernobyl im April 1986 oder in Fukushima im März 2011 deutlich gemacht. Um in solchen Ernstfällen eine Aussage über die Strahlenbelastung für die Bevölkerung in Deutschland machen zu können, betreibt das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) ein flächendeckendes Netzwerk, welches in bis zu 1800 Messstellen permanent die lokale Dosisleistung mit Geiger-Müller-Sonden überwacht. Im Falle einer erhöhten Belastung wird ein Alarm ausgegeben und eine Notfallversorgung durchgeführt.

Für einen zuverlässigen Betrieb dieses Messnetzes ist es sehr wichtig, den natürlichen Untergrund von den künstlich erzeugten Ereignissen, wie etwa den Reaktorunfällen, genau unterscheiden zu können. Die natürliche Strahlenbelastung wird dabei hauptsächlich durch die radioaktiven Zerfallsprodukte der Gase 220Radon und 222Radon verursacht. Für die Überwachung der Umweltradioaktivität ist es daher von großem Vorteil, wenn für die gemessene Strahlung die Zusammensetzung der beteiligten radioaktiven Nuklide sehr genau bekannt ist. Diese lassen sich anhand der spezifischen Energien ihrer Gammastrahlung genau identifizieren. Mit den aktuell verwendeten Geiger-Müller-Sonden kann jedoch nur die Dosisleistung gemessen werden, für eine Bestimmung der Energie der beteiligten Nuklide müssen diese daher durch spektroskopische Systeme ersetzt werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein solches spektroskopisches System aufgebaut. Dazu wurden zunächst die Detektoren (Cd,Zn)Te und LaBr3 auf ihre Einsetzbarkeit hin überprüft. Im Fokus der Untersuchungen standen die Temperaturabhängigkeit, Energieauflösung und Effizienz bei unterschiedlichen Energien und Dosisleistungen. Es hat sich gezeigt, dass sich (CD,Zn)Te besser für den Einsatz zur Überwachung der Umweltradioaktivität eignet.

Neben den Detektoren wurden unterschiedliche Filter-Algorithmen zur Ermittlung der Pulshöhen der Detektorereignisse untersucht und in einem FPGA umgesetzt. Damit konnte ein digitaler Vielkanalanalysator aufgebaut werden, der kompatibel zu unterschiedlichen Detektoren und damit vielseitig für die Gamma-Spektroskopie einsetzbar ist.

In Kooperation mit dem BfS wurde ein komplettes Echtzeitsystem aus (Cd,Zn)Te Detektoren mit Kühlung und digitalem Vielkanalanalysator auf dem Schauinsland bei Freiburg aufgebaut. Dort wurden von Oktober 2011 bis März 2012 stündlich Spektren der örtlichen Hintergrundstrahlung aufgezeichnet. Die Analyse der Daten ergab einen sehr guten Nachweis der erwarteten radioaktiven Nuklide. Die Energieauflösung des Systems während der gesamten Messzeit wurde durch die Auflösung des Photopeaks von 137Cäsium ermittelt. Es wurde ein Wert gemessen, der nur leicht über dem im Labor gemessenen lag.
Durch die Auswertung der Zählraten in den Folgeprodukten der natürlich vorkommenden radioaktiven Gase 220Radon und 222Radon konnte deren unterschiedliche Konzentration in der Luft und eine Abhängigkeit von meteorologischen Faktoren wie Schneehöhe und Niederschlag nachgewiesen werden.
Die Ergebnisse der Auswertungen der Langzeitmessung auf dem Schauinsland zeigten den deutlichen Vorteil der spektroskopischen Überwachung der Umweltradioaktivität.


Kurzfassung in Englisch

Nuclear accidents like the ones in Chernobyl in April 1986 and Fukushima in March 2011 have revealed the importance of monitoring the environmental radioactivity. As a consequence, the German Federal Office for Radiation Protection operates a nationwide dose measurement network consisting of up to 1800 Geiger-Müller counters. With this network it is possible to estimate the radioactive exposure to the population in Germany in the case of such a nuclear emergency. In the event of elevated levels of radioactivity an alarm is generated and emergency care is initiated.

For a reliable operation of the network it is very important to be able to distinguish between natural background and artificial events like accidents in nuclear reactors precisely, whereas the natural radiation is mainly determined by the radioactive gases 220Radon and 222Radon. For the environmental monitoring it is therefore beneficial to have exact knowledge of the composition of all contributing radioactive nuclides. This can be achieved by measuring the energy of the radiation, which is characteristic for every nuclide. Currently this cannot be accomplished, because the employed Geiger-Müller counters can only measure the dose. Therefore, they have to be replaced by spectroscopic systems.

Such a spectroscopic system has been developed in the framework of this thesis. Initially, the two detector materials (Cd,Zn)Te and LaBr3, have been studied to find out if they could fulfill the requirements. Therefore, their temperature dependence, energy resolution and efficiency has been measured with varying energies and activities of the used radioactive sources. It could be shown that (Cd,Zn)Te is the highest qualified detector.

In addition, different digital filter algorithms to measure the pulse heights of the detector signals have been analyzed and implemented into an FPGA. With this, a digital multi channel analyzer could be realized that is compatible to various detector types and thus versatilely applicable in nuclear spectroscopy.

In cooperation with the German Federal Office for Radiation Protection a complete real time spectroscopic system consisting of two stacked (Cd,Zn)Te detectors with cooling and our digital multi channel analyzer was installed on the Schauinsland mountain near Freiburg. Spectra of the background radiation were taken every hour between October 2011 and March 2012. By analyzing the data the existence of all expected radioactive nuclides was proven. The energy resolution of the system during the measurement period was investigated by analyzing the resolution of the 137Cesium photo peak. The value found was only slightly higher than the one obtained by measurements in the laboratory.
The difference in concentration in the air and the dependence on meteorological factors like snow height and rainfall of the natural radioactive gases 220Radon and 222Radon could be verified by surveying the count rates of their secondary radioactive nuclides.
All results of the long term measurement taken on the Schauinsland mountain showed the substantial advantage of the spectroscopic monitoring of environmental radioactivity.


SWD-Schlagwörter: Field Programmable Gate Array , Gammaspektroskopie , Umweltradioaktivität , Halbleiterdetektor , Szintillator , VHDL , Mikroprozessor
Freie Schlagwörter (englisch): Field Programmable Gate Array , gamma spectroscopy , environmental radiation , semiconductor detector, scintillator , VHDL , microprocessor
Institut: Freiburger Materialforschungszentrum
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Fiederle, Michael (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 14.09.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 22.10.2012
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