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anwendungen der radioaktivität in der technik - Referat
Anwendungen der Radioaktivität in der Technik
1)Das Durchstrahlungsverfahren
a)Prüfung von Werkstoffen: Bei massiven Werkstücken (Trägern, Behältern, Lagerungen für Brücken) kann man mögliche Fehler oder Mängel von außen meist nicht erkennen. Die Werkstoffprüfung kann aber mithilfe radioaktiver Strahlung erfolgen. Das betreffende Werkstück wird durchstrahlt. Die hindurchtretende radioaktive Strahlung wird mit einem Strahlungsmessgerät erfasst oder mithilfe eines Films registriert. Ist ein Fehler in dem Werkstück vorhanden, so erfolgt dort eine andere Absorption radioaktiver Strahlung als bei den benachbarten Bereichen. Damit wird an der betreffenden Stelle eine andere Intensität der hindurchtretenden Strahlung registriert. Mit diesem Verfahren kann man nicht nur erfassen, ob in einem Werkstück Einschlüsse oder Luftblasen vorhanden sind, sondern z. B. auch die Qualität von Schweißnähten prüfen.
b)Dickenmessung: Bei der Herstellung von Folien aus Kunststoff oder von Papier muss ständig geprüft werden, ob diese Folien oder das Papier die gewünschte Dicke haben. Solche kontinuierlichen Dickenmessungen können mithilfe radioaktiver Strahlung durchgeführt werden. Dazu wird eine Strahlungsquelle mit einem langlebigen Radionuklid oberhalb der Folienbahn angebracht. Unterhalb befindet sich ein Empfänger, der die durch die Folien hindurchtretende Strahlung ständig registriert. Bei einer bestimmten Schichtdicke hat die hindurchtretende Strahlung einen bestimmten Wert. Ändert sich die Schichtdicke, so wird mehr oder weniger radioaktive Strahlung als vorher registriert. Über einen Regelungsmechanismus wird dann die Materialzufuhr so verändert, dass wieder die gewünschte Schichtdicke erreicht wird.
c)Bei Füllstandsmessungen in Behältern wird ebenfalls das Absorptionsvermögen radioaktiver Strahlung genutzt. Bei einem geringen Füllstand gelangt die Strahlung direkt zum Empfänger. Vergrößert sich der Füllstand, so muss die radioaktive Strahlung auch durch die Flüssigkeit hindurchtreten und wird dort teilweise absorbiert. Die Intensität der beim Empfänger ankommenden radioaktiven Strahlung ist wesentlichen geringer. Durch Anbringen mehrerer Strahlungsquellen und Empfänger lässt sich der Füllstand in unterschiedlichen Höhen feststellen.
d)Messungen der Dichte und der Konzentration von Stoffen: Chemische Stoffe werden häufig durch Rohrleitungen transportiert. Bringt man an einer solchen Rohrleitung auf der einen Seite eine Strahlungsquelle und auf der anderen Seite einen Strahlungsempfänger an, so wird vom Empfänger bei einer bestimmten Dichte des Stoffes eine bestimmte Intensität der hindurchtretenden Strahlung registriert. Ändert sich die Dichte des Stoffes, so ändert sich auch sein Absorptionsvermögen. Es kommt mehr oder weniger Strahlung beim Empfänger an. Die Intensität der hindurchtretenden Strahlung ist somit ein Maß für die Dichte des Stoffes, der durch die Rohrleitung strömt.
In ähnlicher Weise können auch Konzentrationsmessungen durchgeführt werden.
2)Beim Markierungsverfahren werden Radionuklide dazu genutzt, um die Anreicherung oder den Weg von Stoffen im menschlichen Körper, bei Tieren und Pflanzen, in Rohrleitungen, in Maschinen und Anlagen oder im Erdboden zu verfolgen. Das Grundprinzip des Verfahrens besteht darin, dass an einer geeigneten Stelle ein Radionuklid eingebracht wird und die Anreicherung dieses Radionuklids an bestimmten Stellen oder sein Weg verfolgt wird. Die Registrierung erfolgt mithilfe von Strahlungsmessgeräten, die die räumliche Verteilung des Radionuklids erfassen, indem sie die von dem Radionuklid ausgehende radioaktive Strahlung messen. Das Verfahren wurde 1913 zum ersten Male von den Radiochemikern George de Hevesy und Friedrich Paneth angewendet und wird heute in vielen Bereichen der Technik und der Medizin genutzt.
a)Weg von Stoffen in einer Pflanze: Das Markierungsverfahren kann auch genutzt werden, um den Transportweg von Stoffen in einer Pflanze zu verfolgen. Dazu wird z. B. dem Wasser, das die Pflanze aufnimmt, ein Radionuklid beigegeben und die von der Pflanze dann ausgehende radioaktive Strahlung in zeitlichen Abständen gemessen. Man erhält damit jeweils ein Bild darüber, wo sich das Radionuklid befindet und wie sich seine Verteilung verändert hat. Bei einer Pflanze ist das Radionuklid Phosphor im Stängel, dann wandert es langsam an den Rand der Blätter.
b)Zur Erforschung verschiedener Stoffwechselvorgänge bei Tieren und Pflanzen werden radioaktive Isotope der Stoffe verabreicht, die beobachtet werden sollen. Diese Isotope haben meist dieselben chemischen Eigenschaften und werden deshalb auf selbe Weise im Stoffwechsel verarbeitet. Durch ihre Radioaktivität können sie jederzeit von der Aufnahme über die Umsetzung bis zur Ausscheidung im Organismus lokalisiert und beobachtet werden. Mit ähnlichen Verfahren arbeitet auch die Hirnforschung: Es werden radioaktive Substanzen in den Blutkreislauf gebracht, die sich im gesamten Blutkreislauf verteilen. So können später Gehirnregionen bestimmt werden, die besonders gut durchblutet werden, was auf eine hohe Aktivität schließen lässt.
3)Das Bestrahlungsverfahren
a)Verbesserung der Lagerfähigkeit von Lebensmitteln: Zwiebeln, Kartoffeln und andere Lebensmittel müssen zum Teil über einen längeren Zeitraum mit möglichst wenig Qualitätsverlusten gelagert werden. Solche Qualitätsverluste treten vor allem durch Keimung auf. Führt man eine Bestrahlung mit radioaktiver Strahlung durch, so werden die besonders empfindlichen Keimzellen so beeinflusst, dass kaum Keimung auftritt und damit die Lagerfähigkeit wesentlich verbessert wird. Die bestrahlten Stoffe werden zwar beeinflusst, werden aber selbst nicht radioaktiv.
Verschiedene Ziele können durch unterschiedlich hohe Bestrahlungsdosen erreicht werden: Bekämpfung von Insekten und Parasiten, Erhöhung der Haltbarkeit, Eliminierung krankheitserregender Mikroorganismen und Sterilisierung. Nachteilige Folgen für den Nutzer dieser Produkte sind nicht bekannt. Die Wirkung der Bestrahlung beruht auf der Zerstörung des Erbgutes und damit der Fortpflanzungs- und Überlebensfähigkeit der bestrahlten Organismen. Aufgrund ihrer Größe ist die DNA bedeutend stärker empfindlich gegenüber ionisierenden Strahlen als kleinere Moleküle, weshalb sich die Eigenschaften des Lebensmittels und insbesondere seine Identität (z.B. roh) im Vergleich zu anderen Konservierungsmethoden nicht ändern. Solche Lebensmittel müssen mit dem Radura Symbol gekennzeichnet werden. In Österreich sind solche Lebensmittel verboten.
Eine Radionuklidbatterie (RTG: radioisotope thermoelectric generator), wandelt thermische Energie des spontanen Kernzerfalls eines Radionuklids in elektrische Energie um. Sie gewinnt ihre Energie aus radioaktivem Zerfall, somit nicht aus Kernspaltung mit Kettenreaktion, und ist daher von Kernreaktoren zu unterscheiden.
Prinzip: Durch den radioaktiven Zerfall eines Radionuklids entsteht Wärmeenergie. Diese Wärme kann entweder direkt zum Erwärmen (Radioisotope Heating Unit, RHU) verwendet oder mit Hilfe eines Wandlers in elektrische Energie umgesetzt werden.
Beim Einsatz zur Erzeugung von elektrischer Energie werden bis heute nur thermoelektrische Generatoren eingesetzt. Sie sind klein und kompakt, arbeiten ohne bewegte Teile und sind daher verschleißfrei, autonom, wartungsfrei, funktionieren über Jahrzehnte hinweg und gut für ihr Einsatzgebiet geeignet. Der Wirkungsgrad beträgt nur 3 bis 8 %. Die darin zur Energiewandlung eingesetzten Peltierelemente benötigen zur Stromerzeugung einen möglichst großen Temperaturunterschied. Deshalb wird eine Seite durch das radioaktive Präparat erhitzt, die andere Seite strahlt über eine große Fläche mit hohem Emissionsgrad Wärmeleistung in die Umgebung ab und wird so gekühlt. (Ein Peltierelement ist ein elektrothermischer Wandler, basierend auf dem Peltier-Effekt (nach Jean Peltier, 1785–1845): bei Stromdurchfluss wird eine Temperaturdifferenz oder bei Temperaturdifferenz ein Stromfluss erzeugt.)
Gegenüber Kernreaktoren besitzen Radionuklidbatterien auch ein schlechteres Masse-Leistungs-Verhältnis. Der Brennstoffverbrauch ist unabhängig davon, ob elektrische Leistung entnommen wird oder nicht. Bei Radioisotopen mit kurzer Halbwertszeit fällt die Energieabgabe schnell ab.
Deshalb muss immer „zu viel“ Brennstoff mitgenommen werden, was höhere Kosten und eine schwerere Abschirmung erfordert.
Anwendungen:
Weltall: In der Raumfahrt dienen RTGs zur Stromversorgung und RHUs zur Heizung. Jenseits des Jupiters reicht die Strahlung der weit entfernten Sonne nicht mehr aus, mit Solarzellen in praktikabler Größe den Energiebedarf der Sonden zu decken. Hinzu kommt, dass die Gasplaneten (besonders Jupiter) von so starken Strahlungsgürteln umgeben sind, dass die Solarzellen zu schnell zerstört werden. RTGs sind die derzeit einzigen Generatoren, die leicht und zuverlässig genug sind, um in eine Sonde integriert zu werden und die ausreichend lange Strom liefern können. Alle Raumsonden, die bis zum Jahr 2010 zum Planeten Jupiter oder weiter geschickt wurden, wurden deshalb mit Isotopenbatterien ausgerüstet.
Erde: Bevor es kleine und langlebige Batterien gab, wurden RTGs für die Versorgung von Herzschrittmachern eingesetzt. In den 1970-80er Jahren wurden solche mit 200mg Plutonium implantiert.
In der UdSSR wurden RTGs mit Strontium-Füllung für die Versorgung von Leuchttürmen und Funkfeuer am Polarkreis verwendet, zum Teil sind sie noch heute im Einsatz.
Gammaspektroskopie (Elementanalyse) ist die Messung des Spektrums der Gammastrahlung einer radioaktiven Strahlungsquelle. Gammaquanten haben nicht beliebige, sondern bestimmte, für das jeweilige Nuklid charakteristische Energien. Deshalb ist die Gammaspektroskopie eine wichtige Methode zur Untersuchung radioaktiver Substanzen, beispielsweise radioaktiver Abfälle, um über deren Behandlung entscheiden zu können.
Hauptteil des Messapparats, des Gammaspektrometers, ist ein geeigneter Strahlungsdetektor. Für die meisten Gammastrahler mit ihren Energien zwischen etwa 50 keV (Kilo-Elektronen-Volt) und einigen MeV eignen sich am besten Halbleiterdetektoren aus Germanium oder Lithium.
Detektoren werden im Betrieb zur Vermeidung der von thermischen Vorgängen erzeugten "Rausch"signale mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Die lithiumgedrifteten Detektoren benötigen diese Kühlung sogar ständig, auch während Lagerung und Transport.
Außer Halbleiterdetektoren werden auch Szintillationsdetektoren mit Einkristallen verwendet. Ihr Vorteil ist, dass sie mit größeren Abmessungen als die Halbleiterdetektoren hergestellt werden können, so dass eine höhere Ansprechwahrscheinlichkeit des Detektors erreicht wird. Diese ist wichtig, wenn Strahlung sehr geringer Intensität gemessen werden soll, etwa bei der Untersuchung von Personen auf Radioaktivität im Körper. Szintillationsdetektoren brauchen keine Kühlung. Ihr Nachteil ist das wesentlich geringere Energieauflösungsvermögen. Die Energieauflösung ist der kleinste Abstand zweier Energien, bei dem die beiden Photopeaks noch getrennt ausgewertet werden können. (Wenn ein Gammaquant bei einem Prozess Ionisation und damit einen Detektorimpuls hervorruft, ergeben Quanten einer einheitlichen Energie eine charakteristische Verteilung von Impulshöhen. Die größte davon, das lokale Maximum im Spektrum, das der gesamten Energie des Quants entspricht, ist der Photopeak.)
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