Radioaktivität messen

• Was ist ionisierende Strahlung?
• Messverfahren
• Messgeräte
• Einflussfaktoren und Aussagekraft der Messergebnisse
• Professionelle Radioaktivitäts-Messungen
• Messwerte online einsehen
• Radioaktivitäts-Messwerte einordnen und bewerten

Messgeräte zur Messung von Radioaktivität in der Umwelt

"Radioaktivität" beschreibt ein physikalisches Naturphänomen: Können Atomkerne ohne äußere Einwirkung von selbst zerfallen und dabei energiereiche Strahlung (ionisierende Strahlung) aussenden, nennt man sie "radioaktiv".

Natürliche Radioaktivität ist überall in der Umwelt anzutreffen, und niemand kann sich ihr entziehen. Von künstlicher Radioaktivität spricht man, wenn radioaktive Atomkerne zum Beispiel durch Kernspaltung oder Neutronenaktivierung künstlich erzeugt werden.

Die beim radioaktiven Zerfall entstehende ionisierende Strahlung ist nicht zu sehen, zu hören, zu fühlen oder zu schmecken. Es gibt jedoch Methoden und Geräte, um sie zu messen.

Was ist ionisierende Strahlung?

Ionisierende Strahlung entsteht, wenn bestimmte Atomkerne radioaktiv zerfallen und dabei Alpha-, Beta-, Gamma- und/oder Neutronen-Strahlung abgeben. Ionisierende Strahlung kann aber auch technisch erzeugt werden. Das ist bei Röntgen-Strahlung der Fall.

Trifft ionisierende Strahlung auf Atome oder Moleküle, kann sie diese "ionisieren". Ionisierung bedeutet: Elektronen werden aus der Hülle von Atomen beziehungsweise Molekülen "herausgeschlagen". Das zurückbleibende Atom oder Molekül ist dann (zumindest kurzzeitig) elektrisch positiv geladen. Elektrisch geladene Teilchen nennt man Ionen.

Zerfallen Atomkerne, geben sie häufig – abhängig davon, um welche Atomkerne es sich handelt - Alpha-Strahlung in Form ausgestoßener Helium-Atomkerne oder Beta-Strahlung in Form von aus dem Atomkern ausgestoßenen Elektronen oder Positronen ab. Meist tritt zeitgleich mit der Alpha- oder Beta-Strahlung auch sehr kurzwellige und energiereiche Gamma-Strahlung auf.

Dringt ionisierende Strahlung in menschliches Gewebe ein, kann sie Zellen im Gewebe schädigen. Während Alpha-Strahlung schon durch wenige Zentimeter Luft absorbiert wird und die menschliche Haut nicht durchdringen kann, durchdringt Beta-Strahlung die Luft bis zu einigen Metern und kann durch die menschliche Haut wenige Millimeter bis Zentimeter in den menschlichen Körper gelangen. Gamma-Strahlung und Neutronen-Strahlung durchdringen sehr leicht verschiedenste Materie.

Maßeinheiten

Messverfahren

Da man ionisierende Strahlung nicht direkt beobachten kann, muss man geeignete Messverfahren verwenden, um die Art und Intensität der Strahlung zu ermitteln.

Je nach Art der Strahlung (Alpha-, Beta- und Neutronen-Strahlung oder Röntgen- und Gamma-Strahlung) sind unterschiedliche Messverfahren erforderlich. Das bedeutet, dass man nicht mit einem einzigen Verfahren alle durch den radioaktiven Zerfall entstehenden Strahlungsarten messen kann.

Auch der Messzweck spielt eine wichtige Rolle. Soll zum Beispiel neben der Intensität der Strahlung auch die Art des radioaktiven Stoffes bestimmt werden, sind unterschiedliche Messverfahren notwendig.

Physikalische Wechselwirkungen der Strahlung mit Materie

Alle Verfahren zur Messung ionisierender Strahlung basieren auf physikalischen Wechselwirkungen der Strahlung mit Materie.

Dabei wird Energie von der Strahlung auf das verwendete Detektormaterial übertragen, was je nach verwendetem Detektor zu verschiedenen Effekten führt, die dann gemessen und zum Beispiel per Anzeige auf einem Display sichtbar und/oder durch Knackgeräusche in einem Lautsprecher hörbar gemacht werden können.

Messgeräte

Die Messverfahren werden in unterschiedlichen Messgeräten eingesetzt, wie zum Beispiel Geiger-Müller-Zählern (umgangssprachlich "Geigerzähler"), Halbleiterdetektoren, Szintillationszählern und passiven Detektoren/Filmdosimetern:

Je nach Art und Intensität der Strahlung sind die hier genannten Messgeräte unterschiedlich gut zum Nachweis der jeweiligen Strahlungsart geeignet: So können Szintillationsmesssonden sehr viel geringere Aktivitäten oder Dosisleistungen messen als zum Beispiel ein Geiger-Müller-Zähler.

Mögliche Rückschlüsse

Auch wenn Messgeräte mit verschiedenen Arten von Detektoren bestückt sein und so verschiedene Messverfahren parallel nutzen können, ist es grundsätzlich nicht möglich, aus dem Ergebnis einer einzigen Messung einer bestimmten Strahlungsart Rückschlüsse auf die "Gesamt-Strahlung" an einem Ort zu ziehen.

Unter bestimmten Voraussetzungen können jedoch Rückschlüsse auf das vorhandene radioaktive Material gezogen werden, die wiederum eine Einschätzung der "Gesamt-Strahlung" ermöglichen: Wird an einem Ort eine Messung durchgeführt, bei der nicht nur die Intensität, sondern auch die Energie der vorhandenen (Gamma-)Strahlung bestimmt wird, können damit unter Umständen die vorhandenen radioaktiven Stoffe identifiziert und deren Menge bestimmt werden. Dies ermöglicht dann Aussagen zur Gesamtstrahlung.

Einflussfaktoren und Aussagekraft der Messergebnisse

Qualifizierte Aussagen zu Radioaktivitäts-Messergebnissen sind nur von Fachleuten mit entsprechender professioneller Ausstattung möglich. Im Strahlenschutz werden üblicherweise höherwertige Messgeräte eingesetzt, welche geeicht sind und einer regelmäßigen Qualitätskontrolle und Kalibrierung unterliegen.

Einflussfaktoren, die Fachleute bei Auswahl und Bewertung berücksichtigen, sind zum Beispiel

• die Eignung des Messgerätes für die Messaufgabe:
  Liefert das Messgerät für die zu ermittelnde Strahlungsart zuverlässige Ergebnisse, ist das Ansprechvermögen ausreichend?
• die Rahmenbedingungen der Messungen:
  Welche Aspekte müssen bei der Bewertung der Messergebnisse berücksichtigt werden? Welchen Einfluss haben die Messgeometrie, also der Abstand zum Messort und eine eventuell vorhandene Abschirmung? Ein Vergleich von Messergebnissen ist nur möglich, wenn am selben Ort, in der gleichen Messgeometrie und mit einem vergleichbaren Messgerät gemessen wird.

Aussagekraft von Messungen mit handelsüblichen, einfachen Geräten begrenzt

Ein qualifiziertes, zuverlässiges und belastbares Messergebnis kann durch private Messungen in der Regel nicht erbracht werden, da die Aussagekraft von Messungen mit handelsüblichen, einfachen Geräten begrenzt ist. Private Messungen mit einfachen Messgeräten können maximal einen groben Anhaltspunkt geben. Die Gründe dafür sind vielfältig:

• In der Regel erfolgt keine kontinuierliche Kalibrierung und/oder Eichung der handelsüblichen, einfachen Geräte.
• Liegt eine Kalibrierung vor, ist sie meistens auf ein bestimmtes Radionuklid bezogen – das bedeutet, dass die Kalibrierung nur für eine spezielle Messaufgabe wie zum Beispiel die Detektion von Cäsium-137 gilt.
• Günstige Geiger-Müller-Zähler sind häufig nicht für alle Messsituationen geeignet, daher kann es gerade in niedrigeren Dosisbereichen zu Abweichungen der gemessenen Werte von den Werten teurer professioneller Geräte kommen.
• Bei der ungeübten Nutzung unbekannter Detektoren kann es leicht zu Bedienungsfehlern oder dem Einsatz von für die zu messende Strahlung ungeeigneten Messgeräten kommen – etwa, wenn Geräte für die zu ermittelnde Strahlungsart nicht geeignet sind oder die messbare Dosisleistung außerhalb des Messbereiches des Gerätes liegt.
• Handelsübliche, einfache Geräte sind oft anfällig für äußere Einflüsse wie zum Beispiel Temperaturschwankungen, Luftfeuchtigkeit oder elektromagnetische Felder.

Die Messwerte privater Messungen mit einfachen Messgeräten lassen sich nur dann sinnvoll beurteilen, wenn Vergleichswerte vorliegen. Das bedeutet, dass zuvor mit demselben Messgerät bei gleichen äußeren Einflüssen und gleichen Messabständen eine Messung des "normalen" Hintergrundwertes durchgeführt wurde, mit dem man die neu ermittelten Messwerte vergleichen kann.

Da eine Messung aller Strahlungsarten in der Regel nicht über ein einziges Messgerät erfolgen kann, sind Messungen mit einem einzigen Messgerät fast immer unvollständig.

Hinweise und Empfehlungen

Das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) kann keine Empfehlung für spezielle Messgeräte oder Anbieter aussprechen. Das BfS empfiehlt jedoch, bei Überlegungen zur Anschaffung eines Messgerätes verschiedene Aspekte zu berücksichtigen:

So sollte der Messbereich des Messgerätes nach unten bis etwa 0,1 Mikrosievert pro Stunde reichen, da dies in etwa der natürlichen Umgebungsstrahlung entspricht. Zudem ist eine Anzeige der Dosisleistung in Mikrosievert pro Stunde sinnvoll, da man damit die Ergebnisse einfacher miteinander und mit Grenzwerten vergleichen kann.

Zu beachten ist aber auch, dass die Qualität der verwendeten Komponenten und das Know-how des Herstellers eine Rolle spielen. Daher messen günstige Geräte oft nicht so genau und zuverlässig. So sind Geiger-Müller-Zähler für den privaten Gebrauch oft deutlich günstiger in der Anschaffung als professionelle Geräte, weil sie im Gegensatz zu diesen meist weder geeicht noch eichfähig sind.

Professionelle Radioaktivitäts-Messungen

Insgesamt wird die Umwelt in Deutschland engmaschig auf Radioaktivität überwacht. Dabei sind für verschiedene Umweltbereiche verschiedene Institutionen zuständig: Auf Bundesebene messen neben dem BfS zum Beispiel

• der Deutsche Wetterdienst (DWD),
• das Thünen Institut,
• die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG),
• das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) sowie
• das Max-Rubner-Institut (MRI).

Zusätzlich gibt es Messstellen der Bundesländer; und auch die Betreiber von Anlagen, in denen mit radioaktiven Stoffen umgegangen wird, betreiben Radioaktivitäts-Messstellen. Das BfS ist zudem an internationalen Messnetzen beteiligt bzw. beteiligt sich an internationalen Datenplattformen.

Messungen des BfS

https://odlinfo.bfs.de informiert über Radioaktivitätsmesswerte in Deutschland

Das BfS misst Radioaktivität mithilfe vieler verschiedener Messverfahren und entsprechend ausgerüsteter Labore und Messgeräte. Beispiele sind

• das aus rund 1.700 über Deutschland verteilten Messsonden bestehende ODL-Messnetz, das routinemäßig die natürliche Strahlenbelastung misst – rund um die Uhr an 365 Tagen im Jahr,
• In-situ-Messungen mittels mobiler Germanium-Gammaspektrometer,
• Aerogamma-Messungen mit hubschraubergestützten Messsystemen in Zusammenarbeit mit der Bundespolizei,
• hochempfindliche Messeinrichtungen zur Spurenanalyse zum Beispiel in der BfS-Messstation auf dem Schauinsland bei Freiburg, die geringste Spuren radioaktiver Stoffe in der Luft detektieren können (Spurenanalyse),
• Labore zur Analyse von Radionukliden in verschiedenen Medien, die ionisierende Strahlung zum Beispiel in Wasser, Boden, Luft und Lebensmitteln bestimmen können.

Die notwendigen Messgeräte zur Messung von Alpha-, Beta-, Gamma- und Neutronen-Strahlung sind in verschiedenen Ausführungen im BfS vorhanden und unterliegen regelmäßigem Qualitätsmanagement durch Kalibrierung und Eichung. So sichert zum Beispiel ein durch die Deutsche Akkreditierungsstelle (DAkkS) akkreditiertes Radon-Kalibrierlaboratorium des BfS die Qualität von Messungen von Radon- und Radon-Folgeprodukten.

Messwerte online einsehen

Das BfS-Geoportal

Qualifizierte Radioaktivitäts-Messwerte stellen das BfS und andere Institutionen online bereit:

• Das ODL-Messnetz des BfS mit seiner wichtigen Frühwarnfunktion, um erhöhte Strahlung durch radioaktive Stoffe in der Luft in Deutschland schnell zu erkennen, stellt seine Messwerte unter https://odlinfo.bfs.de rund um die Uhr online bereit. Im Falle der Ausbreitung einer radioaktiven Schadstoffwolke könnten diese nahezu in Echtzeit verfolgt werden – eine wesentliche Voraussetzung, um kurzfristig gezielte Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung einzuleiten.
• Im BfS-Geoportal stellt das BfS nicht nur eigene Messdaten, sondern auch Messdaten von Bundes-, Landes- und anderen Partnerbehörden bereit. Dies sind in der Mehrzahl Daten aus dem Integrierten Mess- und Informationssystem (IMIS).
• Messwerte der Ortsdosisleistung aus den Mitgliedsstaaten der Europäischen Union (EU) veröffentlicht das Joint Research Centre (JRC) der EU gesammelt.

Auch Citizen Science Netzwerke wie zum Beispiel SAFECAST stellen Messwerte online bereit – die Werte sind nicht qualitätsgesichert, können jedoch grobe Anhaltspunkte liefern, ob etwa Radioaktivitäts-Messwerte aktuell steigende oder fallende Tendenzen haben.

Verschiedene rückblickende Berichte über Umweltradioaktivität und Strahlenbelastung ergänzen die aktuellen, online verfügbaren Messwerte: Neben der Veröffentlichung eigener Berichte unterstützt das BfS auch das Bundesumweltministerium bei dessen nationalen und internationalen Berichtspflichten.

Radioaktivitäts-Messwerte einordnen und bewerten

Es kommt in unserer natürlichen Umgebung jederzeit zu radioaktiven Zerfällen und entsprechend zur Aufnahme radioaktiver Dosen. Diese natürlich vorkommende Radioaktivität ist kaum beeinflussbar. Beeinflussbar - und damit durch Grenzwerte regulierbar - ist dagegen die (künstliche) Strahlenbelastung durch technische Anlagen.

Vergleichswerte

Strahlung aus natürlich und zivilisatorisch bedingten Strahlenquellen ist jeder Mensch ausgesetzt.

Der natürliche Strahlungshintergrund liegt in Deutschland je nach Region zwischen 0,6 Millisievert pro Jahr in der norddeutschen Tiefebene und mehr als 1,2 Millisievert pro Jahr in den Mittelgebirgen.

Auch aus dem Weltall erreicht uns ionisierende Strahlung - in Form von kosmischer Strahlung. Auf Meereshöhe entspricht diese Strahlung etwa 0,3 Millisievert pro Jahr, doch schon in der Flughöhe von Flugzeugen in etwa zehn Kilometern Höhe ist die kosmische Äquivalenzdosisleistung etwa einhundert Mal so groß.

Die gesamte natürliche Strahlenexposition in Deutschland oder genauer die effektive Dosis einer Einzelperson in Deutschland beträgt durchschnittlich 2,1 Millisievert im Jahr. Je nach Wohnort, Ernährungs- und Lebensgewohnheiten reicht sie von 1 Millisievert bis zu 10 Millisievert.

Die Strahlenbelastung bei der medizinischen Diagnostik ist besonders bei aufwändigen Röntgenuntersuchungen hoch. Eine einzige Computertomographie kann etwa so viel Strahlenbelastung erzeugen wie die natürliche Strahlenbelastung in 10 bis 50 Jahren.

Was bedeutet ein Anstieg von Radioaktivitäts-Messwerten?

Radioaktivitäts-Messwerte unterliegen oft natürlich bedingten Schwankungen

Grundsätzlich kann ein Anstieg von Messwerten einen Anstieg der Strahlungsintensität bedeuten.

Allerdings unterliegen Radioaktivitäts-Messwerte oft natürlichen Schwankungen: Bei aktuellen Messwerten zum Beispiel von Sonden des ODL-Messnetzes können kurzzeitige Erhöhungen der Ortsdosisleistung um das Doppelte bis Dreifache der normalen Werte auftreten.

Solche Erhöhungen der Strahlungsintensität können durch unterschiedliche Wettereinflüsse wie etwa Regen oder Wind entstehen und bedeuten keine Gefahr.

Ab welchen Messwerten wird es gefährlich?

Folgen akuter Strahlenbelastungen

Während es bei der langsamen und langfristigen Aufnahme geringer Strahlendosen schwierig ist, genaue Ursache-Wirkung-Beziehungen herzustellen, sind die Effekte bei schweren radiologischen Unfällen mit großer Aufnahme von Strahlung bekannt und gut untersucht.

So sind bei der kurzzeitigen Aufnahme einer einmaligen Dosis von wenigen tausend Millisievert ionisierender Strahlung schwere Schädigungen des Gewebes bis hin zum Tod unausweichlich. Eine derartig hohe Dosis kann allerdings nur in radiologischen Ausnahmesituationen mit massiven Freisetzungen von Radioaktivität in unmittelbarer Nähe betroffener Personen oder bei Bestrahlungseinrichtungen erreicht werden. So war es zum Beispiel für das Betriebspersonal und die Feuerwehrleute in der Anfangsphase der Reaktorkatastrophe in Tschornobyl.

Im gesetzlichen Regelwerk wie etwa der EU-Vorschrift 96/29/EURATOM und im deutschen Strahlenschutzgesetz sind strenge Grenzwerte für den Umgang mit Radioaktivität und für die Bevölkerung festgelegt: Erwachsene, die durch ihre berufliche Tätigkeit ionisierender Strahlung ausgesetzt sind, dürfen in fünf Jahren nicht mehr als 100 Millisievert aufnehmen, wobei in einem einzelnen Jahr nicht mehr als 50 Millisievert erreicht werden dürfen. Das entspricht etwa dem 20-fachen der natürlichen Strahlenbelastung. Für alle anderen Personen gilt, dass durch technische Anlagen oder künstlich eingebrachte radioaktive Stoffe pro Jahr maximal 1 Millisievert Äquivalenzdosis aufgenommen werden dürfen.