Informationen zur Interpretation von ODL-Messergebnissen

Der Mensch ist ständig einer natürlichen, äußeren Strahlenbelastung ausgesetzt, die sich aus zwei Komponenten zusammensetzt:

• Die terrestrische Strahlung hat ihren Ursprung in den überall im Boden und in Baustoffen vorkommenden natürlichen radioaktiven Stoffen (Radionuklide) wie z. B. Uran, Thorium oder Kalium (K-40).
• Die kosmische Strahlung hat ihren Ursprung im Weltraum, durch Wechselwirkung mit der Atmosphäre wird diese stark reduziert, ein gewisser Anteil erreicht jedoch auch die Erdoberfläche.

Die Höhe der äußeren Strahlung wird in der Einheit Mikrosievert pro Stunde (μSv/h) angegeben. Die natürliche Gamma-Ortsdosisleistung (ODL) bewegt sich in Deutschland je nach örtlichen Gegebenheiten zwischen 0,05 und 0,2 Mikrosievert pro Stunde.

Die Strahlung, die durch den Reaktorunfall in Tschornobyl (Russisch: Tschernobyl) 1986 frei gesetzt wurde, trägt heute nur wenig zur gemessenen Gamma-Ortsdosisleistung (ODL) bei.

Abb. 1: Normaler Zeitreihenverlauf an der Messstelle Schleswig

Normaler Zeitreihenverlauf

Die äußere Strahlenbelastung ist an einem Ort weitgehend konstant. In Abbildung 1 wird von der Messstelle 010590751 in Schleswig der normale Zeitreihenverlauf der Ortsdosisleistung für den Zeitraum vom 13.04.2011 bis 15.04.2011 beispielhaft dargestellt.

Diese Zeitreihe ist frei von kurzzeitigen Regenereignissen, Schneeabdeckungen oder technischen Störungen.

Erhöhung bei Regen

In der Atmosphäre befindet sich immer auch das auf natürliche Weise entstehende radioaktive Gas Radon. Kurzzeitige Erhöhungen der Ortsdosisleistung bis etwa einen Faktor 2 treten auf, wenn radioaktive Folgeprodukte des Radons durch Niederschläge aus der Atmosphäre ausgewaschen und am Boden deponiert werden.

Abb. 2: Zeitreihe mit kurzzeitigen Regenereignissen

Es ist typisch für diese natürlichen Ereignisse, dass die Erhöhung der ODL nur kurz ist und innerhalb von wenigen Stunden auf den Normalpegel zurückgeht. Der Abfall der ODL ist in der Regel asymptotisch (langsame Annäherung der Kurve an die ursprüngliche Messwerthöhe) mit einer typischen Halbwertszeit von 30 Minuten und ist gewöhnlich langsamer als der Anstieg. In Abbildung 2 sind beispielhaft Regenereignisse in der Zeitreihe einer Messstelle in Todendorf dargestellt.

Zur Verdeutlichung ist in Abbildung 2 neben der ODL (schwarz) auch die Zeitreihe des DWD-Wetterradars (rot), die die gemessene Wolkendichte widerspiegelt, dargestellt. Eine hohe Wolkendichte lässt mit großer Wahrscheinlichkeit auf Niederschlag schließen. Während der Niederschläge ergeben sich kurzzeitige Erhöhungen der ODL durch das Auswaschen der Radonfolgeprodukte aus der Atmosphäre und der Ablagerung am Boden.

Entwicklung bei Schneefall

Abb. 3: Beispiel einer Zeitreihe mit Schneeabdeckung

Auch Schneefall kann, insbesondere wenn der Untergrund vorher schneefrei war zu einer regentypischen Erhöhung der ODL führen. Durch die Abdeckung des Bodens mit Schnee ergibt sich jedoch in der Folge eine bleibende Absenkung des ODL-Niveaus (siehe Abbildung 3). Durch die Schneedecke wird die Bodenstrahlung wirkungsvoll abgeschirmt. Mit dem Einsetzen von Tauwetter und dem Abschmelzen des Schnees steigen die ODL-Werte wieder auf das alte Niveau.

Eine Verlaufskurve der Ortsdosisleistung unterliegt neben den kurzfristigen Variationen in längeren Zeitabschnitten auch jahreszeitlichen Schwankungen die in einer Größenordnung von einigen 10 nSv/h (Nanosievert pro Stunde) liegen können. Der wesentliche Grund hierfür ist der ständige Wechsel der Bodenfeuchtigkeit, die Geologie des Untergrundes, die Oberflächenbeschaffenheit des Bodens sowie das Mikroklima am Standort.

Veränderung der gemessenen ODL

Durch radiologische Ereignisse oder technische Probleme kann die ODL auch in größeren Bereichen variieren. Die Messstelle detektiert technische Probleme (Batteriebetrieb von mehr als 5 Stunden, Selbstabschaltung bei leeren Batterien, Batteriefehler, Ausfall der Zählrohre) sowie radiologische Ereignisse, die sich u.a. durch Schwellenwertüberschreitungen bemerkbar machen können, und versendet automatisch so genannte Spontanmeldungen, um auf diesen Zustand aufmerksam zu machen.

Bei der täglichen Plausibilisierung der Daten werden alle Messwerte, die zu einer Schwellenwertverletzung geführt haben, eingehend geprüft, so dass Störungen und radiologische Ereignisse schnell bemerkt werden können. Insbesondere die Zählrohre zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit aus, was leider auch zu Störungen führen kann. Bei langfristigen, kontinuierlichen Messungen kann auch ein Defekt innerhalb der Messkette (Sonde, Messwertsender, Stromversorgung) oder eine atmosphärische Entladung (Blitz) den Verlauf der Messdaten beeinflussen.

Beschreibung technischer Defekte

Hinweise auf einen technischen Defekt können sehr unterschiedlich sein. Eine Auswahl häufig auftretender Störungen wird in den Abbildungen 4 - 8 vorgestellt.

Defektes Niederdosiszählrohr

Abb. 4: Niederdosiszählrohr defekt (liefert keine Impulse)

Ein typischer Verlauf für ein defektes Niederdosiszählrohr ist in Abbildung 4 dargestellt. Nach normalem Verlauf, ist eine starke Schwankung von Messwert zu Messwert zu erkennen. Die einzelnen Messwerte nehmen nur bestimmte Zahlenwerte an, es sind keine Zwischenwerte in der ODL zu erkennen.

Betrachtet man sich hierzu die Impulse, so erkennt man sofort den Defekt. Bei der Berechnung der ODL werden die Impulse des Hochdosiszählrohres heran gezogen. Die geringe Empfindlichkeit dieses Zählrohres erzeugt diese Treppenstruktur in der Zeitreihe.

Der Messwertsender detektiert diesen Fehler als Ausfall eines Zählrohres und meldet sich mit einer Spontanmeldung bei dem zuständigen Messnetzknoten im Bundesamt für Strahlenschutz.

Defekt beider Zählrohre

Abb. 5: Keine ND- und HD-Impulse

Wenn der Messwertsender weder vom Niederdosiszählrohr noch vom Hochdosiszählrohr Impulse erhält, (Abbildung 5) können auch keine ODL-Messwerte gebildet werden.

Erfahrungsgemäß ist die häufigste Ursache für ein gleichzeitiges Ausbleiben der Impulse von beiden Zählrohren eine Unterbrechung des Sondenkabels. Ein Ausfall der Sondenelektronik ist eine weitere typische Ursache.

Windeffekt

An Wind-exponierten Standorten ist es möglich, dass die gesamte Sonde inklusive des Standrohres bei starkem Wind in Schwingungen versetzt wird. Bei mechanischer Anregung mit der Resonanzfrequenz kann der Draht im Zählrohr ebenfalls schwingen und damit den Abstand zur Anode verringern, so dass Entladungen zwischen Anode und Kathode ausgelöst werden können, die vom Messwertsender als Gammaimpulse interpretiert werden.

Abb. 6: Zeitreihe mit Windeffekt

Beim Auftreten eines Windeffekts ist kein regelmäßiges Muster, weder in der Amplitude noch in der Zeitfolge innerhalb der ODL zu erkennen. Die Erhöhungen sind nach einigen Stunden zu Ende und wiederholen sich möglicherweise nach einem längeren Zeitraum, siehe Abbildung 6.

Um diesem Problem entgegen zu wirken, wird die Sonde gegen eine möglicherweise weniger empfindliche ausgetauscht. Wird das Problem so nicht gelöst, wird ein verstärktes Standrohr an diesem Standort verwendet oder die Sonde wird auf einen etwas geschützteren Standort verlegt.

Verdoppelungsfehler

Beobachtet man signifikante, unter Umständen sogar regelmäßige Erhöhungen in der ODL, so kann es sich um einen sogenannten Verdopplungsfehler handeln. Dieser Fehler stellt ein technisches Problem der Sonde dar.

Abb. 7: Verdoppelungsfehler

Nach normalem Verlauf ergeben sich sprunghaft erhöhte Messwerte in der Größenordnung des Doppelten des Grundwertes (Abbildung 7). Eine bis mehrere Stunden später sinken die Werte normalerweise wieder auf das Grundniveau ab.

Die Ursache dieser Verdopplung liegt in der Auslösung von Folgeimpulsen nach einem gemessenen Zählrohrimpuls, die nicht durch äußere Strahlung bedingt sind. Oftmals handelt es sich hierbei um einen Temperatureffekt der altersbedingte Probleme des Zählrohrs aufzeigt. Diese Folgeimpulse werden ebenfalls gezählt, und folglich erscheint die berechnete ODL erhöht.

Einzelne Peaks

Innerhalb des normalen Verlaufs ergeben sich einzelne erhöhte Messwerte (Abbildung 8) in der Größenordnung von einigen 0,1 μSv/h. Es lässt sich keine Regelmäßigkeit in der Abfolge der Erhöhungen erkennen. Vielfach handelt es sich um elektromagnetische Störungen im Bereich der Zuleitungen. Durch technische Weiterentwicklungen im Bereich der Sonde treten solche Peaks inzwischen kaum noch auf.

Abb. 8: Einzelne Erhöhungen (Peaks)

Schlussfolgerung

Diese Auswahl stellt nur einen kleinen Teil der möglichen Störungen dar. Sonden, die diese oder auch andere Störungen zeigen, werden umgehend ausgetauscht oder repariert. Da das BfS die Messdaten täglich prüft werden defekte Systeme schnell bemerkt und erhalten in der Datenbank der Messnetzzentrale den Status "defekt". Die Daten dieser Sonden gehen damit nicht mehr in die Voralarmberechnung ein und erscheinen auch nicht online.

Es muss allerdings stets beachtet werden, dass es sich bei den dargestellten Stundenmesswerten um ungeprüfte Rohdaten handelt, die ggf. nicht frei von technischen Störeinflüssen sind.

Ein Anlass zur Besorgnis bei radiologischen Ereignissen besteht erst dann, wenn eine signifikant erhöhte ODL über längere Zeit (z.B. 1 Tag und länger) anhält, bzw. wenn die Erhöhung über einen Faktor 2 hinausgeht und keine technische Störung vorliegt. Kurzzeitige Erhöhungen der ODL durch die Auswaschung von Radonfolgeprodukten, wie oben beschrieben, sind jedoch ungefährlich. Auffällige Werte auf dem Messsystem müssen daher immer einer eingehenden Plausibilitätsprüfung unterzogen werden.

Messnetz

Abb. 9: ODL-Messsonde des BfS

Das Messnetz wird von sechs Messnetzknoten des Bundesamtes für Strahlenschutz, die sich in Berlin, Bonn, Freiburg, Neuherberg bei München, Rendsburg und Salzgitter befinden betreut. Neben den automatisch messenden Systemen werden auch mobile Systeme betrieben, mit denen regelmäßig nuklidspezifische Messungen durchgeführt werden.

In Abbildung 9 ist eine Sonde des Messnetzes zu sehen. Diese beinhaltet zwei Geiger-Müller-Zählrohre um die ODL zu messen. Auf dem angeschlossenen Datalogger (Messwertsender) werden die Daten der Sonde zu 10-Minuten-Werten verdichtet und in regelmäßigen Abständen an die Messnetzknoten übermittelt. Sollten eine Störung oder erhöhte Messwerte vorliegen, meldet sich die Sonde automatisch. Um die Messergebnisse der deutschlandweit verteilten Sonden vergleichen zu können, ist es wichtig, dass die Standorte gewissen Kriterien entsprechen. Ein optimaler Sondenstandort zeichnet sich durch eine ebene gepflegte Wiese aus, auf der sich keine höheren Pflanzen, versiegelte Flächen oder Gebäude befinden.