Radon-Nachweis in Raumluft-Proben
Vorbemerkung In Gesteinen, Erdböden kommen in unterschiedlichen Konzentrationen radioaktive Elemente vor, wie Kalium, Uran und Thorium. Sowohl in der Uran-Radium-Zerfallsreihe, als auch in der Thorium Zerfallsreihe ist das Edelgas Radon als Zerfallsprodukt zu finden. Im Gegensatz zu den festen Zerfallsprodukten ist das gasförmige Radon in der Lage, aus Gesteinen und Erdböden zu entweichen. In Gebäuden sammelt es sich vor allem in geschlossenen, wenig belüfteten Kellerräumen an. Hohe Radon-Konzentrationen findet man häufig in unbefestigten Räumen, welche zum Erdreich hin nicht gasdicht abgesperrt sind. Die geologische Beschaffenheit des Bodens bewirkt außerdem örtlich unterschiedlich hohe Radon-Konzentrationen. Versuchsidee Analyse von Raumluft-Proben mittels Fenster-Zählrohren wurden in den vergangenen Jahren bereits mehrfach beschrieben (siehe u.a. Heise[1]). Bei Versuchen, die Messungen quantitativ auszuwerten, mußte man sich auf die Betrachtung von Zerfallskurven und daraus ermittelte Halbwertszeiten beschränken. Die Idee der im folgenden beschriebenen Versuchsreihe ist es, mittels Gamma-Spektroskopie Radon und seine Zerfallsprodukte in Raumluft-Proben nachzuweisen. Man macht sich dabei die Tatsache zu Nutze, dass zahlreiche Alpha- und Beta-Zerfälle angeregte Tochternuklide hervorbringen, welche durch Aussendung von Gamma-Strahlung in energetisch niedrigere Zustände übergehen. Nun hat die Vielkanalanalyse der Gamma-Strahlung den Vorteil, daß energiedifferenzierte Spektren darstellbar sind. Es ist daher mit dieser Methode eine Darstellung und Analyse von diskreten Zerfallsprodukten realisierbar. Um nun die Belastung der Raumluft mit radioaktiven Substanzen zu untersuchen, ist es notwendig, die in der Luft auf großem Raum verteilte Partikel auf einen möglichst geringen Raumbereich zu konzentrieren. Neben der Filtermethode, bei der längere Zeit größere Luftmengen durch einen feinen Gewebefilter gesaugt werden, bietet sich auch folgende "Hochspannungsmethode" an: (Vergleiche u.a. Kuhn[2], sowie Czech [4]). Es wird dabei folgender Aufbau gewählt: Abbildung 1 Quer durch den Raum (Sicherheitsaspekte wegen Hochspannung beachten!) wird ein Kupferdraht von ca. 5 m Länge gespannt und mit dem negativen Pol einer 5 kV-Hochspannungsversorgung verbunden. Dabei wird der Plus-Pol auf Erdpotential gelegt. Um die radioaktiven Partikel mit der Kathode "einzufangen", wird ausgenutzt, dass eben diese Radionuklide positiv geladen sind. Diese Tatsache läßt sich damit begründen, dass beim a -Zerfall von Rn-222 und seinen Tochternukliden wie z.B. Po-218 (ebenfalls ein Alpha-Strahler) der He++ Kern beim Verlassen des betreffenden Isotops Elektronen aus der Hülle mitreißt, so dass der Rest positiv geladen ist und sich aufgrund seiner hohen Beweglichkeit am negativ geladenen Draht ablagert. Bei einer Expositionszeit von 3 bis 5 Stunden hat sich genügend radioaktives Material angesammelt und kann ausgewertet werden. Dazu kann der Draht mit einem ca. 5 cm2 großen Stück eines Papiertaschentuches oder ähnlichem sorgfältig abgewischt werden. Bessere Ergebnisse erzielt man jedoch. wenn man den Draht komplett auf ein Stücken Pappe aufwickelt und anschließend analysiert. Ort der nachfolgend dokumentierte Messung (Abbildung 3) war ein Kellerraum des Grimmelshausen-Gymnasiums in Gelnhausen. Dieser Raum wird als Bucharchiv benutzt und hat kaum Lüftungsmöglichkeiten. In anderen, in Bodennähe gelegenen, ungelüfteten Räumen wurden ähnliche Ergebnisse erzielt. Die Analyse der Probe sollte wegen der geringen Halbwertszeiten der Zerfallsprodukte möglichst bald nach der Probenentnahme erfolgen (mehr als 15 Minuten sollten nicht vergehen!). Falls kein Szintillationszähler zur Verfügung steht, sind Messungen mit einem einfachen Zählrohr selbstverständlich auch möglich (siehe Heise[1]). Hierbei können natürlich lediglich Aussagen über Gesamtaktivitäten gemacht werden (mit einer dünnen Papierabschirmung kann dabei zwischen a -und b -Strahlung differenziert werden). Führt man Messungen kontinuierlich über einen längeren Zeitraum aus, so sind Aussagen über durchschnittliche Halbwertszeiten möglich. Hier soll jedoch die Auswertung mittels Szintillationszähler und Vielkanalanalyse beschrieben werden. Abbildung 2: Versuchsaufbau mit Geräten der Firma Leybold-Didactic (Quelle: LD Versuchanleitung [3]): Die Hochspannungsversorgung des Diskiriminator-Vorverstärkers sollte so eingestellt werden, dass ein Energiebereich von 100 keV bis 700 keV gut dargestellt wird. Als Eichspektrum kann man ein Cs-137 Spektrum (Eichsignal: Photopeak bei 662 keV) verwenden. Wird dieses gut dargestellt, so ist die gleiche Hochspannung auch für die Raumluftmessungen geeignet. Auswertung der Messungen Das folgende Spektrum wurde 15 min. nach Probenentnahme (aufgewickelter Draht) gemessen. Meßdauer: 600 Sekunden. Die Messung erfolgte unter der Bleiabschirmung des Szintillators, auf Korrektur durch den Nulleffekt kann in diesem Fall verzichtet werden. Die Anfangsaktivität der Probe ist beträchtlich und liegt in der Größenordnung der Aktivität eines schulüblichen Ra-226 Präparates. Abbildung 3 Für die Interpretation des Energiespektrums werden Vergleichsmessungen mit bekannten Präparaten durchgeführt. Da wie bereits oben erwähnt, Uran (bzw. Radium) und Thorium als Ausgangselemente vermutet werden, wird mit derselben Hochspannung zunächst ein Ra-226 Präparat (wie es wohl in allen Schulen vorhanden ist) untersucht. Eine Meßzeit von 120 s sollte in diesem Fall ausreichend sein. Das Ergebnis zeigt die folgende Abbildung: Abbildung 34 Abbildung 5 Beginnend mit den niederenergetischen Signalen sollen beide Spektren interpretiert und gegenübergestellt werden: Analyse des Ra-Spektrums (Abbildung 4): c: 186 keV: Gamma-Emission beim Übergang von Ra-226 zu Rn-222 (Alpha-Zerfall, TH = 1600 Jahre). b: Innere Konversion (K-Alpha-Linie) von Bi-2143 und/oder von Po-214. (Siehe auch Röntgenfluoreszenz) a, d, e, f: 53 keV, 242 keV, 295 keV und 352 keV: Diese Gamma-Linien sind dem Übergang von Pb-214 zu Bi-214 (Beta-Zerfall,Halbwertszeit: TH = 26,8 min) zuzuordnen. g: 609 keV: Gamma-Emission beim Übergang von Bi-214 zu Po-214 (Beta-Zerfall, TH = 19,9 min). Analyse des Luftproben-Spektrums (Abbildung 3) Zunächst ist eine weitgehende Übereinstimmung der Spektren festzustellen, lediglich der Peak c bei 186 keV fehlt im Raumluft-Spektrum. Im Radium-Spektrum ist er auf den Zerfall von Ra-226 zu Rn-222 zurückzuführen. Das Fehlen dieses Übergangs wird verständlich, wenn man bedenkt, dass Radon 222 als gasförmiges Zwischenprodukt der natürlich vorhandenen Uran-Radium-Zerfallsreihe aus Boden und Mauerwerk austritt und deshalb nur die Tochternuklide des Edelgases Rn-222 ihre "Gamma-aktiven Visitenkarten" im VKA-Spektrum hinterlassen können. Ab Rn-222 sind sämtliche Zerfallsprodukte der Uran-Radium-Reihe (wie auch im Ra-226-Spektrum) vorhanden. Um die Meßergebnisse in die Theorie einzuordnen, wird die Zerfallsreihe des Radium-226 herangezogen. Ausgehend von Ra-226 sind bis zu dem stabilen Blei-Isotop Pb-206 alle Zwischenprodukte mit ihren Halbwertszeiten angegeben. Die roten gepunkteten Pfeile markieren die Emission diskreter Gamma-Strahlung, wie sie in den Spektren sichtbar wird. Um die Meßergebnisse in die Theorie einzuordnen, wird die Zerfallsreihe des Radium-226 herangezogen. Ausgehend von Ra-226 sind bis zu dem stabilen Blei-Isotop Pb-206 alle Zwischenprodukte mit ihren Halbwertszeiten angegeben. Die roten gepunkteten Pfeile markieren die Emission diskreter Gamma-Strahlung, wie sie in den Spektren sichtbar wird. Literatur: [1] Hans Heise, Praxis der Naturwissenschaften - Heft 9 von 1965, S.233 [2] Kuhn, Handbuch der experimentellen Physik - Band 10 Kerne und Teilchen II, S.56 [3] Leybold-Didactic, Auswahl von Versuchsanleitungen auf CD, LD update 01.01 [4] W. Czech, Referat: Radioaktivität der Luft - Unterrichtsmaterialien Physik, Stark-Verlag
