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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Anordnung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.
Die Trinkwasserversorgung Ist ein sensibler Punkt in der Versorgung der Bevölkerung. Durch radioaktiven Fall- oder Rainout nach Reaktorzwischenfällen, nach kriegerischen Ereignissen mit Kernwaffen oder durch Einbringen von künstlichen radioaktiven Stoffen in verbrecherischer Absicht können Wasserspeicher, Trinkwasserbassins etc. mit radioaktiven Stoffen kontaminiert werden und damit für die Wasserversorgung ausfallen.
Ein Verfahren bzw. eine Anordnung gemäss der eingangs genannten Art ist aus der FR 2 645 651 A1 bekannt. Bei dieser Anordnung wird jedoch nicht dafür Sorge getragen, dass radioaktive Kontaminierungen, die sich auf dem Boden oder an der Seitenwand des Beckens bzw.
Behälters angesammelt haben, bei der Messung der Radionuklide ausser Betracht bleiben ; auch werden von oben einfallende Strahlungsmengen nicht ausgeschaltet. Damit werden die Messungen verfälscht bzw. ist eine genaue Messung nicht gut möglich.
Die Erfahrungen aus den Atombombenversuchen bzw. der Schadensfall Tschernobyl zeigen, dass bei Porengrundwasservorkommen radioaktiver Fall out durch die Filterwirkung der Humusund Tonkomponenten langfristig in den obersten Bodenschichten festgehalten wird, wodurch eine Beeinträchtigung solcher Grundwasservorkommen weitgehend auszuschliessen ist. Karstgrundwässer und insbesondere Oberflächenwässer können durch die oben erwähnten Vorgänge hingegen leichter mit künstlichen Radionukliden kontaminiert werden. Dabei ist noch zu bedenken, dass die Nutzung von Oberflächenwasser aus Flüssen zur Wasserversorgung einen immer breiteren Raum einnimmt
Besteht der Verdacht, dass Talsperren, Wasserbehälter bzw. Trinkwasserspeicher radioaktiv kontaminiert sein könnten, müssen die Aktivitätskonzentrationen gemessen und mit Grenzwerten verglichen werden.
Für Trinkwasserversorgungsanlagen ist eine Früherkennung bei allfälliger Verunreinigung des Trinkwassers durch Radionuklide wesentlich, um rechtzeitig entsprechende Massnahmen zur Sicherstellung der Versorgung der Bevölkerung gewährleisten zu können.
Ziel der Erfindung ist es, eine mobile Messanlage zur Erfassung von Radioaktivität im Trinkwasser zu konzipieren, mit der vor Ort und durch Einsatzorganisationen Messungen leicht und schnell durchgeführt und diese Messungen unmittelbar mit Richt- bzw. Grenzwerten verglichen werden können. Bei Gefahr im Verzug müssen sofort Massnahmen wie Vorwarnung oder Konsumverbot eingeleitet werden können.
Diese Ziele werden bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale erreicht. Eine Anordnung gemäss der eingangs genannten Art ist durch die im Kennzeichen des Anspruches 5 angeführten Merkmale erfindungsgemäss charakterisiert.
Unter Becken bzw Behälter werden alle Trinkwasser enthaltenden Gegebenheiten verstanden, z. B. Reservoirs, Speicher, Fussbetten, Staubecken usw.
Die erfindungsgemässe Anordnung ergibt aufgrund ihrer Positionierung in einer bestimmten Wassertiefe bzw. in einem bestimmten Abstand von Wand (Rand) bzw. Boden des Behälters bzw. Beckens sowie gegebenenfalls auch durch Wahl des Volumens des Detektorkristalles und schliesslich aufgrund ihres einfachen Aufbaus die Möglichkeit, die Nachweisgrenzen auf Werte herabzusetzen, die weit unterhalb der z. B. durch die österreichische Strahlenschutzverordnung oder durch die EU-Empfehlung 29/96 vorgegebenen Grenzwerte liegen ; die Nachweisgrenzen ermöglichen die Einrichtung einer Warnschwelle, die etwa bei einem Zehntel des gemäss EU-Empfehlung 29/96 vorgeschlagenen Grenzwertes liegen kann, wobei diese Warnschwelle noch mehr als einen Faktor 10 über der Nachweisgrenze des Gerätes liegt.
Das Gerät ermöglicht kurze Messzeiten, ist einfach zu bedienen ; es ist eine Nuklididentifikation möglich und das Gerät ist aufgrund der gewählten Konzeption bzw. des Detektors und der in der vorgesehenen Auswerteeinrichtung angeordneten Stromversorgung unabhängig von einer stationären Spannungsversorgung einsetzbar.
Ein besonders einfache Auswertung ergibt sich, wenn gemäss den Merkmalen des Anspruches 2 vorgegangen wird.
Eine Störung der Messung wird vermieden bzw. die Genauigkeit der Messergebnisse wird erhöht, wenn gemäss dem Merkmal des Anspruches 3 vorgegangen wird.
Es ist bei der erfindungsgemässen Vorgangsweise einfach möglich, entweder eine rasche Messzeit für eine überschlagsmässige Erfassung der vorhandenen Aktivitäten durchzuführen oder eine
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länger andauerndere und entsprechend genauere Messung vorzunehmen ; dazu dienen die Merkmale des Anspruches 4.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Anordnung in Hinblick auf die einfache Anwendung bzw. den einfachen Aufbau sind durch die Merkmale der Ansprüche 6 oder 7 erreichbar. Eine exakte und einfache Messung wird dann erreicht, wenn die Merkmale der Ansprüche 8 oder 9 verwirklicht werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung, den Patentansprüchen und der Zeichnung zu entnehmen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Anordnung im Einsatz ; Fig. 2 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform, Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit einer Messkurve und einer Kalibrierkurve.
Gemäss Fig. 1 ist in einem natürlichen oder künstlichen mit Trinkwasser 2 gefüllten Becken 1 ein gammastrahlenempfindlicher Festkörperdetektor 6 in einem Gehäuse 4 angeordnet. An den Kristaildetektor 6 schliesst ein Fotoelektronenvervielfacher bzw. Multiplier 7 an, an den eine Hochspannungsversorgung 8 angeschlossen ist. Über eine Leitung 10 ist diese Detektionsanordnung 6, 7, 8 mit einer Auswerteeinrichtung 11 verbunden.
Das Gehäuse 4, das den Detektor 6, den Fotomultiplier 7 und die Hochspannungsversorgung 8 umschliesst, ist mit einem ausreichenden Auftrieb erzeugenden Schwimmer bzw. Schwimmkörper 5 verbunden, der das Gehäuse 4 trägt.
Dabei ist Vorsorge getroffen, dass der Detektor 6 in einem Mindestabstand A von der Wasseroberfläche 13 unter Wasser gehalten ist ; dieser Mindestabstand soll zumindest 40 cm, vorzugsweise zumindest 60 cm, betragen. Der Schwimmkörper 5 wird mittels einer nicht dargestellten Haltevorrichtung (Stange) so fixiert, dass der angegebene Mindestabstand A zum Beckenrand 14 und zum Boden 15 des Beckens 1 eingehalten wird. Die Kabeizuleitungen 10 zur Auswerteeinheit 11 sind mit einer wasserdichten Hülle umgeben.
Des weiteren wird der Schwimmer 5 derart angeordnet, dass der Detektor 6 einen Abstand A von der Seitenbegrenzung bzw. Seitenwand 14 und vom Boden 15 des Beckens 1 einnimmt, der ebenfalls jeweils zumindest 40 cm, vorzugsweise zumindest 60 cm, beträgt. Auf diese Weise werden Höhenstrahlung sowie Bodenstrahlung und allfällige Strahlung, ausgehend von Belägen am Boden 15 bzw. an der Wand 14 weitgehend ausgeschaltet. Ab einer bestimmten Entfernung werden aufgrund der Selbstabsorption von Gammaquanten im Wasser keine Quanten mehr im Detektor 6 registriert, und somit bleiben Quanten, die von der Höhenstrahlung oder von der von der Wand 14 bzw. vom Boden 15 ausgehenden Strahlung herrühren, grösstenteils unberücksichtigt. Bei Einhalten dieses Abstandes A kann die Nachweisempfindlichkeit optimiert werden.
Durch entsprechende Untersuchungen wurde ermittelt, dass selbst für hochenergetische Gammastrahlung mit Energien von 1250 keV eine Wasserschicht von 60 cm ausreichte, um zu erreichen, dass diese Strahlung von Wand, Boden oder als Höhenstrahlung die Messergebnisse, die vom Trinkwasser selbst stammen, nicht mehr signifikant beeinflussen.
In der Auswerteeinheit 11 sind ein Speicher 16 für Kalibrierkurven, ein Vergleicher 17 und ein Toleranzwertspeicher 19 vorgesehen ; mit 12 ist ein an die Auswerteeinheit 11 angeschlossener Rechner bzw. Laptop zur Auswertung bzw. zur Anzeige der Messergebnisse bezeichnet.
In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform der Halterung des Gehäuses 4 für den Detektor 6 dargestellt. Das Gehäuse 4 ist von einem Ausleger 5'abgehängt, der ausserhalb des Beckens am Boden 3 gelagert ist und über eine Halteeinrichtung 18, z. B. ein Seil, eine Kette od. dgl., das Gehäuse 4 in einer Tiefe unterhalb des Wasserspiegels 13 hält, in der der Detektor 6 den Minimalabstand A von mindestens 40, vorzugsweise von mindestens 60 cm, unterhalb der Wasserfläche 13 einnimmt. In der Anordnung gemäss Fig. 2 ist das Gehäuse 4 mit dem Detektor 6 in einem Abstand vom Boden 15 bzw. von der Wand 14 des Beckens 1 angeordnet, weicher den minimalen Abstand A weit überschreitet.
Eine Messung von Nukliden, die Betastrahler sind, ist nicht vorgesehen, da die meisten der im Trinkwasser zu findenden Radionuklide aus Kernreaktorunfällen bzw. Atomexplosionen, Gammastrahler sind und die Messung dieser Nuklide als ausreichend empfunden wird.
Die Überwachung der Radioaktivität des Trinkwassers erfordert den Nachweis sehr niedriger Aktivitätskonzentrationen, die zugrundeliegende Nachweisgrenze wird daher sehr tief angesetzt (1 Bq/l für 137CS). Um optimale Aussagen zu gewährleisten, sind gamma-empfindliche, energieauf-
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lösende hochempfindliche Szintillationsdetektoren 6 vorgesehen, womit eine Gammaenergiediskriminierung und damit eine Unterscheidung signifikanter Radionuklide ermöglicht wird.
Die Anordnung umfasst einen wasserdicht angeordneten 1% x3" Nal (TI)-Szintillationskristall 6 mit Sekundärelektronenvervielfacher 7 und einem Vorverstärker als "integral line". Die Energieauflosung des Detektors beträgt bei 662 keV-Gammaquanten ( Cs) etwa 7, 5% (ca. 50 keV).
Die Auswerteelektronik 11 umfasst eine Spannungsversorgung und einen Linearverstärker und versorgt mittels einer eingebauten Batterie den Detektor 6 mit Energie Das zentrale Element der Auswerteelektronik 11 ist ein schneller ADC mit anschliessender digitaler Pulsmaximumerkennung und die Übernahme und Abspeicherung des Peakwertes über ein FIFO in den Aktivitätsrechner.
Von dem in einer Messperiode gewonnenen Spektrum wird in einem Speicher der Leerwert abgezogen, die Speicherinhalte der einzelnen Energiebereiche bzw. -fenster werden addiert und mit den vorgegebenen Warnschwellen verglichen. Diese Zäh ! rater und die erreichten Schwellenwerte sowie der Systemzustand werden dem Interface-Datenspeicher übergeben. Die Spektren können zu Stundenspektren aufaddiert und auf Anforderung ausgegeben werden. Zur Erfassung des Systemzustandes sind einige Sensoren wie Minimumzähiratenerkennung, Überlastungserkennung, Temperatur- und Hochspannungskontrolle eingebaut.
Es kann mittels einer schwachen Referenzaktivität im Intensitäts-Strahlungsenergie-Diagramm eine Peakpositionserkennung durchgeführt und wenn erforderlich, eine automatische Nachführung der Einstellungen vorgenommen werden (Energiekalibrierung). Weiters ist der Anschluss eines Rechners 12 vorgesehen, auf dem die Spektren der Aktivitätsmessungen am Bildschirm dargestellt werden können und eine Fernsteuerung der Auswerteelektronik 11 möglich ist.
Die erfindungsgemässe Anordnung bzw. diese mobile Radioaktivitätssonde für Trinkwasser registriert die von den im Trinkwasser vorhandenen Radionukliden ausgehenden Gammaquanten und setzt diese Gammaquanten energleabhàngig in Spannungsimpulse um. Die Energie der Gammaquanten eines Radionuklids kann zur Identifikation der Radionuklide herangezogen werden.
Die Auswerteelektronik 11, umfassend einen Vorverstärker und einen Hauptverstärker, bereitet die Spannungsimpulse so auf, dass der gesamte Spannungsbereich (meist 0-5 V) einem Energiebereich von etwa 100 bis 2000 keV zugeordnet ist, der in mindestens 256 gleiche Energiebereiche (Kanäle) unterteilt ist (Vielkanal), in denen die je nach Höhe eines Spannungsimpulses einem Kanal zugeteilten Impulse aufsummiert werden. Dadurch entstehen an Stellen mit einer hohen Anzahl von gleich hohen Impulsen, weil Gammaquanten eines bestimmten Radionuklides immer gleiche Energie besitzen, Peaks, die zur Interpretation, d. h. zur Bestimmung der Energie der Gammaquanten und damit zur Identifikation eines Radionuklides herangezogen werden konnen. Die Messung wird über eine vorgegebene Zeit durchgeführt.
Die im Energiebereich eines bestimmten Gammaquants innerhalb einer bestimmten Messzeit in einem Peak aufsummierten Impulse (Nettoimpulse im Totalabsorptionspeak) können zusätzlich zur Aktivitätsbestimmung mittels Kalibrierfaktoren herangezogen werden. Dadurch wird neben der qualitativen Analyse (Energie- und damit Radionuklidbestimmung) eine quantitative Analyse, d. h. eine Bestimmung der Aktivität der bestimmten Radionuklide, möglich.
Weiters können auch quantitative Analysen durchgeführt werden, wenn alle über einen vorgegebenen Energiebereich (z. B. 100-2000 keV) anfallenden Impulse gezählt und zur Aktivitätsbestimmung herangezogen werden (Einkanalmodus). Dabei ! sst keine qualitative Analyse, d. h. Bestimmung der Art der im Wasser vorhandenen Radionuklide möglich. Der Vorteil dieser Methode ist der, dass man bel der Messung einfache Zahlenwerte erhält und damit auch einfach geschultes Personal zur Messung heranziehen kann, weil dann nur mehr Messwerte mit Grenz- oder Richtwerten verglichen werden müssen, bzw. dieser Vorgang automatisch von der Messapparatur unter Ausgabe einer Alarmmeldung durchgeführt werden kann.
Zum Zweck der Messung wird die mobile Anordnung in das Becken 1 eingebracht, dessen Dimension eine bestimmte Grösse nicht unterschreiten darf. Der Detektor 6 muss zu den Seitenwänden 14 bzw. zum Boden 15 des Beckens 1 den bestimmten Abstand A haben, da sonst die vorgegebenen Kalibrierfaktoren nicht mehr gültig wären.
Nach Einbringen der Sonde in ein derartiges Wasserbecken und einer Einlaufzeit von ca.
1/2 Stunde zur Anpassung an die Wassertemperatur erfolgt die Eneregiekalibrierung und im An- schiuss daran die Messung. Die Energiekalibrierung wird mittels eines 137Cs-Strahlers durch-
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geführt, der in einer wasserdichten Hülle (Aktivität < 37 kBq) mit einer Haltevorrichtung (Stange) unter Wasser etwa bis auf 10 cm an die Sonde herangebracht wird. Die Energiekalibrierung ist dann in Ordnung, wenn im Spektrum die Spitze des gemessenen Peaks in einem bestimmten Kanal bzw. bei einem bestimmten Energiewert hegt. Dies kann durch Betrachtung des Gammaspektrums im angeschlossenen Notebook auch visualisiert werden. Durch Änderung der Hochspannung, gesteuert durch einen DAC, wird der Peak (662 keV) auf den bestimmten Kanal gesetzt (Kalibriervorgang).
Das System erfasst z. B. in Minutenabständen die in allen z. B. 256 Kanälen gesammelten Informationen, addiert sie in den gesetzten Energiebereichen und vergleicht nach einer bestimmten Messzeit die Bereichswerte mit gesetzten Alarmschellen.
Da die Abschwächung von Gammaquanten in Materie (in diesem Fall in Wasser) von der Energie der Quanten und vom Material abhängt, wird ab einer bestimmten Entfernung A der Radio- aktivität im Wasser zu Detektor 6 durch Absorption der Gammaquanten im Wasser kein nennenswerter Beitrag zum Kalibrierfaktor gegeben sein. Das heisst, dass der Abstand A des Detektors 6 zu der Begrenzung 14 die Mindestgrösse A haben muss, da sonst der für diese Messgeometrie bestimmte Kalibrierfaktor nicht mehr gültig ist und eine Korrektur angebracht werden müsste. Aus oben genanntem wird für die Radioaktivitätssonde für Trinkwasser dieser Mindestabstand durch das im Wasser vorhandene Radionuklid bestimmt, das die höchste Gammaenergie besitzt.
Durch Berechnung von kumulierten Peakefficiencies bzw. Kalibrierfaktoren wurde festgestellt, dass ab einer Wasserdicke von 60 cm praktisch kein Zuwachs der Peakefficiencies mehr besteht ( < 1 %) und dass somit zur optimalen Messung mit der Trinkwassersonde der Mindestabstand A vom Beckenrand 14, vom Beckenboden 15 und von der Wasseroberfläche 13 von mindestens 60 cm ausreicht bzw. einzuhalten ist.
Bei diesem Abstand A vom Detektor 6 zum Bassinboden 15 hat auch eine anfällige Kontamination des Bassinbodens 15 (Sedimentation von Radionukliden) nur geringfügigen Einfluss auf das Messergebnis.
Das zu messende Wasserbecken sollte also eine Mindestgrösse von 1, 2x1, 2x1, 2 m haben, um alle relevanten Radionuklide mit optimalen Kalibrierfaktoren messen zu können.
Die Radioaktivitätssonde für Trinkwasser kann auch zur Identifikation von Radionukliden im Trinkwasser herangezogen werden. Für diese Art der Messungen ist eine Auswerteeinheit 11 vorgesehen, die es gestattet, Gammaspektren aufzunehmen und auszuwerten. Mittels eines Peaksuchprogrammes können vorhandene Gammalinien identifiziert und mittels der Kalibrierung Energien zugeordnet werden, die es gestatten, im Wasser befindliche Radionuklide zu identifizieren.
Mittels eines Peakauswerteprogrammes werden die Peakinhalte einer zu einem Radionuklid gehörigen Gammalinie bestimmt und mit Hilfe der dazugehörigen Peakefficieny und der entsprechenden Gammaemissionswahrscheinlichkeit die Aktivitätskonzentration berechnet
Aufgrund der erfindungsgemässen Vorgangsweise erhält der Detektor 6 lediglich Gammastrahlung aus einem ihn umgebenden kugelförmigen Raumbereich mit einem Radius von etwa 40 bis 60 cm ; gleichzeitig schirmt das in diesem Raumbereich befindliche Trinkwasser Störstrahlungen, vor allem die vom Rand und vom Boden des Beckens ausgehenden Strahlungen ab, sodass mit dem Detektor tatsächlich nur im Trinkwasser enthaltene, kontaminierende Radionuklide vermessen werden.
In Fig. 3 ist in einem Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Intensität I und der Energie E einer Gammastrahlung wiedergibt, eine Kalibrierkurve K und eine Messkurve M aufgetragen. Die Kalibrierkurve wurde in sauberem Wasser aufgenommen, die Messkurve wurde in mit einem Radionuklid kontaminierten Wasser aufgenommen und es ergab sich ein Peak P, bel der von diesem Radionuklid ausgesandten Strahlungsenergie. Die Höhe dieses Peaks bzw. der Abstand im Peak zwischen der Messkurve M und der Kalibrierkurve K wird ausgewertet in Hinblick auf die Intensität der vorhandenen Strahlung in qualitativer und/oder quantitativer Form ; die jeweiligen Ergebnisse können mit Toleranzwerten bzw. Schwellwerten verglichen werden. In Abhängigkeit dieses Vergleichs kann eine entsprechende Signalgabe zur Warnung der Bevölkerung erfolgen.
Prinzipiell können die erfindungsgemässe Anordnung bzw. das erfindungsgemässe Verfahren zur Untersuchung beliebiger Wässer, z. B. Meerwasser usw., eingesetzt werden.
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PATENTANSPRÜCHE : 1 Verfahren zur Überwachung von in natürlichen oder künstlichen Becken bzw.
Behältern befindlichem (Trink) Wasser, insbesondere zur Feststellung von das (Trink) Wasser konta- minierenden Radionukliden, wobei im (Trink) Wasser ein gammastrahlenempfindlicher Festkörperdetektor, vorzugsweise ein hochempfindlicher Na-J-Kristall-Detektor, mit angeschlossenem Fotomultiplier angeord- net wird und die Signale des Festkörperdetektors ausgewertet werden, - dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Festkörperdetektor die aus dem den Detektor unmittelbar umgebenden Raumbereich des (Trink) Wassers einfallende Strahlung ge- messen und eine eventuelle Bodenstrahlung und von Boden- und/oder Wandbelägen stammende Strahlung durch die vorgegebene Wassertiefe bzw.
den vorgegebenen
Rand (Wand)- und Bodenabstand vom Detektor nahezu gänzlich abgeschirmt werden, indem der Festkörperdetektor in einer Wassertiefe von zumindest 40 cm, vorzugsweise zumindest 60 cm, und mit einem Rand (Wand)- und Bodenabstand von zumindest
40 cm, vorzugsweise von zumindest 60 cm, angeordnet wird, und dass der Intensitätsver- lauf (Impulse/Zeiteinheit) bzw. die Aktivität der gemessenen Strahlung, vorzugsweise über zumindest einen vorgegebenen Energiebereich, aufgenommen und ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass der aufgenommene Intensitätsverlauf mit Kalibrierwerten, insbesondere mit zumin- dest einer Kalibrierkurve, verglichen wird und - dass ermittelte Intensitätsunterschiede als Strahlungsintensität von vorhandenen Radio- nukliden ausgewertet, insbesondere mit vorgegebenen Toleranz- bzw. Grenzwerten ver- glichen werden, wobei gegebenenfalls bei Überschreiten der Toleranzwert eine opti- sche und/oder akustische Anzeige erfolgt.