Radonmessung

mini|Aktives, digitales Radon-Messgerät für Langzeitmessungen Die Radonmessung dient der Bestimmung des Anteils des radioaktiven Edelgases Radon in der Atemluft. Für die Messung gibt es je nach Anwendungszweck verschiedene Messgeräte. Sie reichen von kleinsten passiven Radonexposimetern bis zu sehr aufwändigen, computergesteuerten Sammelapparaturen.

Das in der Luft enthaltene Radon 222Rn führt beim Einatmen bei Zerfall unter Alphastrahlung in der Lunge zur Bildung von seinerseits unter Alphastrahlung zerfallendem Polonium und einer weiteren Zerfallskette und ist nach dem Rauchen die zweithäufigste Ursache für die Entstehung von Lungenkrebs (etwa 5 % der Fälle). Daher ist die Radonmessung ein wichtiger Zweig des Schutzes vor erhöhter natürlicher Radioaktivität.

Radongasmessung oder Zerfallsproduktmessung Unter Gesichtspunkten des Strahlenschutzes sind Messungen des Radongases und auch der Radon-Zerfallsprodukte sinnvoll. Die Zerfallsprodukt-Messungen erfassen so gut wie möglich die Wirkung auf den Menschen.

Zur Entscheidung zwischen der Messung von Radon oder seinen Zerfallsprodukten sind oft die speziellen Eigenschaften der verfügbaren Messverfahren und weniger die Gesichtspunkte der Strahlenwirkung zu berücksichtigen. Messgeräte für Radon sind meistens einfacher zu handhaben und billiger als Geräte für Zerfallsprodukte. Um den gesamten Aufwand bei einer großen Anzahl von Messungen klein zu halten, beginnt man mit einer Radongasmessung. Nur wenn das Messergebnis dicht an einem gesetzlichen oder empfohlenen Grenzwert liegt, erfolgt zusätzlich eine aufwändigere und aussagekräftigere Messung der Zerfallsprodukte. Die Strahlenschutzauflagen für Bergwerke sehen immer Zerfallsproduktmessungen vor.

Passive und aktive Messverfahren mini|Passiver Kernspurdetektor zur Radonmessung in Wohnräumen Für Radonmessungen gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Messgeräte. Es ist üblich, sie danach einzuteilen, ob sie Radongas oder Zerfallsprodukte messen und ob sie aktiv oder passiv arbeiten.

Kleine passive Messgeräte werden häufig als Radondosimeter oder -exposimeter bezeichnet. Sie arbeiten während der Messung ohne Betriebsenergie und sind deshalb in großen Stückzahlen preisgünstig anwendbar. Dem steht ein großer Laboraufwand gegenüber, um an die in den Geräten indirekt enthaltenen Messergebnisse zu kommen. Passive Geräte messen praktisch ausschließlich Radon. Das ist einer der Gründe, warum in Wohnhäusern bis auf wenige Ausnahmen das Radongas gemessen und bewertet wird. Verschiedene Messlabors versenden sie per Post und werten sie später in einem Labor aus.

Aktive Messgeräte arbeiten meistens mit Pumpen und elektronischen Strahlungsdetektoren und benötigen deshalb elektrische Energie während der Messung. Damit eignen sie sich für einen automatischen Betrieb. Ein Auswertelabor oder separate Auswerterechner sind nur selten erforderlich.

Die Mikroelektronik erlaubt elektronische Geräte, die mit einer Batterie bis zu einem Jahr messen können. In der Handhabung entsprechen sie passiven Geräten, benötigen aber kein Auswertelabor.

Prinzipien der Radongasmessung

Überblick

Zur Messung des Radongases gibt es zwar eine große Zahl verschiedener Messgeräte aber nur wenige Messprinzipien. Den meisten Verfahren liegt die Idee des Doppelfilterverfahrens zu Grunde. Es ist recht schwierig, einzelne Radonatome in einem Luftvolumen zu erfassen. Deshalb wird nicht das Radon selbst, sondern daraus in einer Apparatur entstehende Zerfallsprodukte gemessen.

Praktisch alle Radongasmessgeräte müssen kalibriert werden. Das geschieht in Radonkammern mit bekannter Radongaskonzentration. Zur Erzeugung des Radons dienen spezielle Radiumpräparate.

Doppelfilterverfahren Das Doppelfilterverfahren gibt es in zahlreichen Varianten. Eine Pumpe zieht Luft durch eine Messkammer mit einigen Litern Inhalt. Ein Eingangsfilter hält Zerfallsprodukte zurück, die sich bereits in der Raumluft befinden. In der Kammer bilden sich aus dem Radongas neue Zerfallsprodukte, die sich auf einem Auslassfilter (Messfilter) abscheiden. Ein Strahlungsdetektor misst die Radioaktivität des Auslassfilters. Im Kurzzeitbetrieb bis zu wenigen Stunden Sammelzeit sind relativ aufwändige Auswerterechnungen erforderlich. Im kontinuierlichen Langzeitbetrieb ist die Zählrate des Strahlungsdetektors der Radongaskonzentration proportional.

Diffusionskammerverfahren Am weitesten verbreitet für Radongasmessungen ist das Diffusionskammerverfahren. Die Idee entspricht dem Doppelfilterverfahren, jedoch ersetzt die natürliche Gasdiffusion die Pumpe. Die Messkammer ist wesentlich kleiner als beim Doppelfilterverfahren. Die Messempfindlichkeit ist meistens gering, deshalb ist dieses Verfahren nur für Langzeitmessungen ab ungefähr einem Monat geeignet.

Radongas diffundiert durch ein Einlassfilter in eine Messkammer mit ungefähr 10 cm3 Inhalt. Zerfallsprodukte, die sich in der Kammer bilden, scheiden sich an den Kammerwänden und auf einem eingebauten Strahlungsdetektor ab. Auch das Radongas in der Kammer liefert einen Beitrag zum Messsignal. Je nach Strahlungsdetektor gibt es aktive und passive Ausführungen.

Die aktive Ausführung verwendet meistens einen Halbleiterdetektor aus dem Halbleitermaterial Silicium für die beim Zerfall entstehende Alphastrahlung. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit lässt sich die Messkammer vergrößern. Zusätzlich erhöht ein Hochspannungfeld zwischen den Kammerwänden und dem Detektor die Zählausbeute. In der Kammer frisch entstandene Radonzerfallsproduktatome sind elektrisch geladen und lassen sich deshalb gezielt auf die Detektoroberfläche leiten.

Bei der passiven Ausführung hat sich das Kernspurverfahren oder Ätzspurverfahren bewährt. Der Detektor besteht aus einer strahlungsempfindlichen Polykarbonatfolie. Auftreffende Alphastrahlung zerstört einen Teil der chemischen Bindungen. In einem Ätzbad aus Natron- oder Kalilauge löst sich der Kunststoff allmählich auf. Das geht an den Auftreffstellen der Alphateilchen besonders schnell. Deshalb entstehen Ätzspuren, die sich mit dem Mikroskop optisch erkennen und zählen lassen. Dieses passive Verfahren ist in DIN 25706-1 genormt.

Adsorptionsverfahren Das Adsorptionsverfahren oder Aktivkohleverfahren für Radongas ist in DIN 25706-2 genormt. Aktivkohle lagert an ihrer Oberfläche aus der Umgebungsluft Radongas an. Die von der Aktivkohle gesammelte Radioaktivitätsmenge ist ein Maß für die Radonkonzentration in der Umgebungsluft.

DIN bezeichnet diese Geräte als Radonsammler (auch Aktivkohledosimeter, Aktivkohleexposimeter genannt). Es sind Blechdosen mit ca. 100 g Aktivkohle oder Kunststoffröhrchen mit ca. 5 g Inhalt. Blechdosen lassen sich mit einem Gammaspektrometer auswerten. Das Spektrometer misst in dem Fall die Gammastrahlung der innerhalb der Dose aus dem Radongas entstandenen Zerfallsprodukte. Zur Auswertung der Röhrchen wird deren Kohle-Inhalt mit einem Flüssigszintillator vermischt, der auf Alpha- und Betastrahlung reagiert.

Ionisationskammer-Verfahren

Die geschickte Anordnung von Elektroden mit relativ kleiner Betriebsspannung erzeugt in einer Ionisationskammer ein strahlungsempfindliches Volumen von einem Liter und mehr. Jeder Kernzerfall innerhalb dieses Volumens liefert einen sehr schwachen Ladungsimpuls an die Elektroden, der aufwändig verstärkt, aufbereitet und gezählt wird (Impulsionisationskammer). Bei sehr hohen Aktivitätskonzentrationen kann statt der Impulse ein Gleichstrom gemessen werden.

Prinzipien der Zerfallsproduktmessung

Die Erfassung der nötigen Rohdaten ist bei Messungen der Radon-Zerfallsprodukte leichter als beim Radongas. Deshalb gibt es nicht so viele Messverfahren. Praktisch alle Messgeräte verwenden das Filterverfahren. Eine Pumpe saugt Umgebungsluft durch ein Messfilter. Die in der Luft enthaltenen Zerfallsprodukte scheiden sich auf der Filteroberfläche ab. Ein Strahlungsdetektor misst die Radioaktivität auf dem Filter. Je nach Anordnung, Pumpenleistung, Detektortyp, Betriebsablauf und Auswertemethode gibt es zahlreiche Varianten des Filterverfahrens. Am häufigsten sind Kurzzeitsysteme, die zunächst für einige Minuten das Messfilter besaugen. Anschließend erfolgt die Radioaktivitätsmessung des Filters. Kontinuierliche Verfahren messen die Filteraktivität während des Sammelvorganges.

Je nach Aufwand der Strahlungsmessung und Auswerterechnung kann eine bestimmte Anordnung nur eine Maßzahl (meistens die potentielle Alphaenergiekonzentration) für das Zerfallsproduktgemisch oder die genaue Zusammensetzung der Zerfallsprodukte liefern. Geräte mit automatisch laufenden Filterbändern ermöglichen einen wartungsfreien Betrieb über viele Monate und eine gute zeitliche Auflösung.

Die Kalibrierung eines Messgerätes für Radon-Zerfallsprodukte kann prinzipiell rein rechnerisch erfolgen. Die ersten Schritte dahin sind die Ermittlung des Luftdurchsatzes durch das Messfilter und die Ansprechwahrscheinlichkeit des Strahlendetektors. Der weit aufwändigere zweite Schritt ist die Berechnung der Aktivitätskonzentrationen in der Luft aus den Filteraktivitäten. Dafür ist die Lösung der Differentialgleichungen nötig, die die Umwandlung der unterschiedlichen Zerfallsprodukte auf dem Filter nach dem Zerfallsgesetz, sowie den Sammelvorgang beschreibt.

Mehrere Autoren liefern für spezielle, feste Zeitabläufe aus Probenahme und Radioaktivitätsmessung Auswerteformeln. Modernere Geräte besitzen eigene Mikrocomputer, die während des Sammelvorganges die nötigen Daten erfassen und in Echtzeit das zugehörige Gleichungssystem lösen. Sie zeigen das fertig berechnete Messergebnis bereits während der Messung an.

Für die Prüfung und den Vergleich von Messgeräten untereinander gibt es wenige große Radontestkammern. Das Mischungsverhältnis der Zerfallsprodukte darin kann beeinflusst aber nicht individuell eingestellt werden. Es ist immer eine Filtermessung nötig, um den Inhalt der Kammer genau zu kennen. Die Prozedur dafür ist auf minimale Messfehler und nicht wie die meisten kommerziellen Geräte auf leichte Handhabung oder automatischen Betrieb ausgerichtet.

Messgrößen für Radon und seine Zerfallsprodukte Wie bei den meisten radioaktiven Stoffen ist die übliche Mengenangabe für Radongas die Aktivität in Becquerel (Bq). Die Maßeinheit für die Radonkonzentration in Luft ist dementsprechend Bq/m3. Im Freien beträgt die mittlere Radonkonzentration ungefähr 10 Bq/m3, in Wohnräumen sind es ungefähr 50 Bq/m3 und in den Luftporen im Erdboden ungefähr 20.000 Bq/m3.

Das Zeitintegral der Radonkonzentration heißt Radonexposition mit der Einheit Bq h/m3. Es ist praktisch die aufsummierte Radonkonzentration, der ein Mensch oder ein Messgerät während einer bestimmten Zeitspanne ausgesetzt ist.

Wesentlich komplizierter ist eine sinnvolle quantitative Angabe der Radon-Zerfallsprodukte, weil es sich dabei um ein Gemisch aus mehreren unterschiedlichen Strahlern handelt. Der professionelle Strahlenschutz in Uranerzbergwerken hat eine ganze Reihe ungewöhnlicher Messgrößen dafür hervorgebracht, von denen die gebräuchlichste die potentielle Alphaenergiekonzentration in J/m3 oder MeV/l ist. Die gleichgewichts-äquivalente Radonkonzentration beschreibt ebenfalls die Konzentration der Radon-Zerfallsprodukte und entspricht der potentiellen Alphaenergiekonzentration. Sie hat die Einheit Bq/m3 und darf nicht mit der Radongas-Konzentration verwechselt werden.

Radonmessungen in Gebäuden