Labor für Umweltisotope

Aufgaben

Geoportal des Bundesamtes für Strahlenschutz

Zur Überwachung der Bundeswasserstrassen auf Radioaktivität gemäß StrlSchG bestimmt das Labor für Umweltisotope nuklidspezifische Aktivitätskonzentrationen von Umweltproben aus Wasser, Schwebstoff und Sediment. Die Proben stammen überwiegend aus dem Umweltradioaktivitätsmessnetz. Schwerpunkt ist die low-level-Analytik von Radionukliden natürlichen und anthropogenen Ursprungs. Neben der Gesamt-Alpha-Aktivität des Wassers wird routinemäßig die Alpha-, Beta- und Gammastrahlung einzelner Radionuklide bestimmt. Die Messergebnisse werden im IMIS und im Geoportal des BfS veröffentlicht. Für die Analyse stehen folgende Messsysteme zur Verfügung:

Reinstgermanium-Detektoren
Flüssigszintillations-Messgeräte (LSC)
Tritiumanreicherungsanlage
Alphaspektrometer mit PIPS-Detektoren
Gitterionisationskammern
Cavity ring-down Spektrometer zur Bestimmung von stabilen Wasserisotopen
Mobile Messgeräte zur Bestimmung von Radon in Luft und Wasser

Das Labor entwickelt radiochemische Messverfahren weiter und nimmt an Vergleichsanalysen zur Qualitätssicherung teil. Neben den Routineaufgaben bringt es seine langjährige Expertise in wissenschaftliche Fragestellungen z. B. aus der Hydrologie, der Sedimentologie oder anderen Fachbereichen ein. Derzeit werden folgende Projekte bearbeitet (teils mit externen Kooperationspartnern):

Ermittlung der Grundwasserneubildung über die Isotopenvariabilität in der ungesättigten Zone
Einzugsgebietscharakterisierung – z. B. Einzugsgebietshöhe von Quellen und Grundwasser
Interaktion von Grundwasser und Oberflächenwasser, insbesondere bei hydrologischen Extremen (Hochwasser, Dürre)
Mischungsanteile von Wässern
Tracerversuche zur Bestimmung von Fließzeiten und Dispersionskoeffizienten in den Bundeswasserstraßen
Nachhaltigkeit bei zunehmender Beanspruchung der Grundwasserressourcen

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Gammaspektrometrische Messungen

Quelle: BfG Reinstgermanium-Detektor für die Gammaspektrometrie

Nach der Vorbereitung der Proben werden diese in einer bleiabgeschirmten Messkammer mit einem Reinstgermanium-Detektor gemessen. Aus den resultierenden Gammaspektren kann eine Vielzahl von Radionukliden anhand ihrer charakteristischen Energielinien bestimmt werden. Daten für eine Auswahl dieser Nuklide werden im IMIS veröffentlicht, wie z. B. für Be-7, K-40, Co-58, Co-60, Ru-103, I-131, Cs-137, Cs-134, Ce-144 oder Ac-228.

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Alphaspektrometrische Messungen

Quelle: BfG Alphaspektrometrie-Edelstahlplättchen

Für die Umweltradioaktivität relevante alpha-strahlende Nuklide stammen aus natürlichen Zerfallsreihen (U-238, U-235 und Th-232) oder sind künstlichen Ursprungs (Pu-238, Pu-240, Am-241, Cm-242, Cm-243/244). Wegen der geringen Reichweite der alpha-Teilchen ist eine aufwändige Probenaufbereitung notwendig, bevor die Messung im Alphaspektrometer mittels eines Siliziumdetektors (PIPS) erfolgt. Ergebnis ist ein Alphaspektrum, in dem die Isotope anhand ihrer Energiepeaks identifiziert und quantifiziert werden. Routinemäßig gemessen werden die Nuklide U-238, U-235, U-234, Pu-238, Pu-240, Am-241, Cm-242, Cm-243/244, Ra-226, Rn-220 und Rn-222.

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Betaspektrometrische Messungen

Anders als Alphateilchen und Gammastrahlung haben Betateilchen keine diskrete, sondern eine mittlere und maximale Energie. In einer Probe überlagern sich die Energien verschiedener Betastrahler, so dass sie erst nach aufwändigen radiochemischen Trennverfahren einzeln bestimmt werden können. Die Messung erfolgt mit einem Flüssigszintillationszähler (Liquid Scintillation Counter - LSC). Die Betastrahlung erzeugt in einem Szintillationscocktail Lichtimpulse, die von einem lichtempfindlichen Detektor (Photomultiplier) verstärkt und gezählt werden. Daraus resultiert ein Energiespektrum, das ausgewertet wird. Routinemäßig werden die Nuklide Sr-89/90 und Tritium gemessen.

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Elektrolytische Anreicherung von Tritium

Quelle: BfG Anreicherungsanlage für Tritiummessungen

Ein Schwerpunkt des Labors liegt auf der Analyse von Tritium. Tritium entsteht sowohl natürlich in der Atmosphäre als auch künstlich, z. B. in Kernkraftwerken. Außerdem wurde es durch oberirdische Atombombentest in den 1950/60-iger Jahren freigesetzt. Mittlerweile liegt die natürliche Tritiumaktivitätskonzentration im Niederschlag und Oberflächenwasser wieder in dem Bereich, der vor den Atombombentests üblich war und schwankt zwischen 0,5 bis 1,5 Bq/l. Um Tritium in diesen geringen Konzentrationen messen zu können, müssen die Wasserproben und das darin befindliche Tritium elektrolytisch angereichert werden. So kann eine Nachweisgrenze von ca. 0,1 Bq/l (= 1 TU) erreicht werden. Pro Jahr werden bis zu 3000 Proben elektrolytisch angereichert. Damit gehört das Tritiumlabor der BfG zu einem der größten Labore weltweit.

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Stabile Wasserisotopen

Neben dem instabilen Isotop des Wassers, dem Tritium (³H), werden auch die stabilen Isotope Sauerstoff-18 (δ¹⁸O) und Deuterium (δ²H) bestimmt. Hierfür wird ein Cavity-ring-down-Spektrometer eingesetzt. Mit diesem Gerät können die beiden stabilen Isotope gleichzeitig aus ca. 20 Wasserproben und Standards pro Tag gemessen werden. Die Proben stammen aus dem radiologischen Warnstellenmessnetz und aus den von G4 betriebenen Niederschlagssammelstationen. Das Messprogramm umfasst jährlich ca. 3000 Proben aus dem Routinemessprogramm und weitere Proben, die z. B. für Forschungsprojekte analysiert werden.

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Plasma-Massenspektrometrie

Quelle: BfG Triple-Quadrupol-Plasma-Massenspektrometer mit Autosampler

Im Plasma-Massenspektrometrie-Labor wird die Konzentration vieler Haupt- und Spurenelemente an Wasser-, Schwebstoff-, und Sedimentproben bestimmt. Eingesetzt werden:

Mikrowellenofen (Mars 6, CEM) und offenes Aufschlusssystem (Deena, Seal Analytical) zum Aufschluss von Feststoffproben
Reinstwasseranlage zur Verdünnung von Proben und Standardlösungen
Probeneingabesystem SeaFast S2 (ESI) zur Anreicherung und Matrixabtrennung, z. B. bei Salzwasserproben
Triple-Quadrupol-Plasma-Massenspektrometer (ICP-QQQ-MS, Agilent 8900) zur Analyse flüssiger Proben. Mit Hilfe unterschiedlicher Kollisionsgase (He, O₂, H₂) werden störende Interferenzen entfernt und für jedes Element wird ein passender Messmodus gewählt. Die Konzentrationen nahezu aller Elemente des Periodensystems (>70) können in einem Messvorgang bis in den Spurenbereich gemessen werden.