Absorption von Alpha- und Betastrahlung sowie Elektronen

Absorption von Alphateilchen

Die Messung der spezifischen Ionisation von Alphateilchen in der Luft in verschiedenen Abständen ergibt eine Kurve, die als Bragg-Kurve bezeichnet wird. Diese zeigt, dass die spezifische Ionisation mit zunehmendem Abstand von der Quelle zunächst langsam steigt, dann nach einem Maximum abrupt auf Null abfällt.

Die spezifische Ionisation beschreibt die Anzahl der Ionenpaare pro Längeneinheit. Das Phänomen erklärt sich wie folgt: Durch die Bewegung verliert das Teilchen kinetische Energie und damit Geschwindigkeit. Durch die Reduzierung der Geschwindigkeit erhöht sich die spezifische Ionisation. Am Ende seiner Bahn bewegt sich das Teilchen am langsamsten, was zum Ionisationsgipfel führt. Nach einem bestimmten Punkt fängt das Teilchen Elektronen ein, wird zu einem Helium-Atom und kann keine weitere Ionisation mehr erzeugen, was den plötzlichen Abfall erklärt.

Reichweite von Alphateilchen

Da alle Alphateilchen einer Quelle fast die gleiche Energie besitzen, stoppen sie nach einer ähnlichen Strecke. Der Abstand R, bei dem die Ionisation endet, wird als Reichweite bezeichnet. Diese hängt von der Energie der Teilchen ab. Es besteht eine umgekehrte Proportionalität zwischen der Halbwertszeit des Radioisotops und der Energie der emittierten Alphateilchen: Je kürzer die Halbwertszeit, desto größer ist in der Regel die Energie und Reichweite.

Absorption von Betateilchen

Betateilchen weisen Ähnlichkeiten zu Alphateilchen auf, wie die Erzeugung von Ionenpaaren in der Luft (ca. 34 eV pro Paar). Es gibt jedoch wichtige Unterschiede:

• Masse: Aufgrund ihrer geringeren Masse ist die spezifische Ionisation von Betateilchen geringer als die von Alphateilchen gleicher Energie.
• Energiespektrum: Während Alphateilchen meist diskrete Energien aufweisen, besitzen Betateilchen ein kontinuierliches Energiespektrum bis zu einem Maximalwert.
• Streuung: Betateilchen erfahren durch elektrostatische Wechselwirkungen mit Atomkernen und Elektronen häufige Richtungsänderungen. Daher haben sie keine exakte Reichweite wie Alphateilchen.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung entsteht, wenn Elektronen (Betateilchen) beim Durchgang durch Materie ihre kinetische Energie verlieren. Der Anteil der in Bremsstrahlung umgewandelten Energie ist umso höher, je größer die Energie des Teilchens und die Ordnungszahl (Z) des Absorbermaterials ist.

Strahlenschutz-Erwägungen

Beim Schutz vor Betastrahlung muss die Bremsstrahlung berücksichtigt werden. Während Alphateilchen aufgrund ihrer geringen Reichweite primär ein Problem der inneren Kontamination darstellen, erfordert die Abschirmung von Betastrahlung oft Materialien mit niedriger Ordnungszahl, um die Entstehung von Bremsstrahlung zu minimieren.

Die Abschätzung der Röntgenstrahlung erfolgt über den Bruchteil f: f = 3,5 x 10⁻⁴ Z Emax.

Interaktion von Elektronenstrahlen

Elektronen interagieren beim Durchgang durch Materie durch verschiedene Coulomb-Wechselwirkungen:

• Inelastische Kollisionen: Führen zu Ionisation und Anregung von Atomen.
• Inelastische Stöße mit Kernen: Führen zur Produktion von Bremsstrahlung.
• Elastische Stöße: Führen zu Richtungsänderungen (Streuung) ohne Energieverlust.

Merkmale von Elektronenstrahlen

Elektronenstrahlen zeichnen sich durch eine relativ gleichmäßige Dosisverteilung aus, gefolgt von einem abrupten Abfall. Dies ist ein Vorteil gegenüber Röntgenstrahlen. Die Eindringtiefe (90%-Dosis) entspricht in etwa einem Drittel bis einem Viertel der Energie in MeV.

Reichweitenkonzept und Dosisaufbau

Die maximale Reichweite wird durch Extrapolation des Kurvenverlaufs definiert, während die praktische Reichweite (Rp) durch die Projektion des steilsten Teils der Kurve bestimmt wird. Der Dosisaufbau (Build-up-Region) bei Elektronen ist weniger ausgeprägt als bei Photonen, wird jedoch durch Sekundärelektronen (Delta-Strahlen) beeinflusst.