Trinitit - ein besonderes Material

[DL4LNX]

In nem Buchanka durch die Steppe... ich könnte mir wesentlich schlechtere Urlaube vorstellen 

[opengeiger.de]

Um nochmals einen Test speziell zur Auflösung des RC-103 zu machen, kam mir der Gedanke, dass ich mir Oppenheimers nukleare Debris nochmals mit meinem RC-103 genauer anschauen könnte, zumal sich ja herausgestellt hat, dass er besonders bei niedrigen Energien nun von der deutlich besseren Auflösung profitiert.

Um ehrlich zu sein, der Oppenheimer Film hat mir nicht unbedingt gefallen, aber das merkwürdige Gefühl hat er doch eher verstärkt, wenn man sich dieses ,,besondere Material" so genau anschaut. Unwillkürlich erinnert man sich dann an diesen zentralen Hindu-Spruch von Oppenheimer: ,,Now I become Death, the destroyer of worlds", wenn man das Stückchen Trinitit unter das Messgerät legt. Dieses Stückchen hatte ich schon mal mit dem Pancake Rohr angeschaut und festgestellt (https://www.geigerzaehlerforum.de/index.php?msg=22151), dass dieses kleine Stückchen Trinitit ordentlich Alpha-Strahlung abgibt, vorwiegend auf der glasigen Oberseite. Das ist wohl dem verdampften und ungespaltenen Pu239 anzurechnen. Das wird der Menschheit also noch einige 1000 Jahre ein Zeugnis abliefern, wie es entstanden ist. Die Gamma-Strahlung die es abgibt, ist dagegen ziemlich homöopathisch. Aber es ist dann doch überraschend, was der RC103 mit seiner gewaltigen Empfindlichkeit unter 100keV an dem glasigen Steinchen noch sieht. Wenn man das mit der ersten Radiacode Messung, die hier im Forum im Mai 2021 gemacht wurde (https://www.geigerzaehlerforum.de/index.php?msg=7372) vergleicht, dann ist die Verbesserung doch gewaltig.

Gut wer die Hirschgrabenerde kennt, für den ist das keine Überraschung, schließlich besteht da ja eine gewisse ,,kernphysikalische Verwandtschaft" beider Quellen. Dass es einen Cs137 Peak gibt, das ist das eine, aber dass es auch einen Am241 Peak gibt, das ist das andere. Es wird oft gesagt, man konnte damals das ,,Fuel" für die Spaltung nicht so sauber herstellen, so dass auch Pu241 als Verunreinigung drin war das gar nicht bei der Explosion entstand. Aber man darf auch nicht ganz vergessen, dass bei der Spaltung genügend Neutronen im Spiel waren, so dass ungespaltenes Pu239 auch durch den doppelten Neutroneneinfang zu Pu241 ,,aktiviert" wurde. In jedem Fall ist Am241 aus dem Pu241 durch Zerfall entstanden und zeugt zusätzlich auf diese Weise mit seiner Gammastrahlung noch für einige 100 Jahre noch vom Plutonium, ob nun am Hirschgraben oder am Ground Zero des Trinity Tests. Und da Am241 in der Umwelt sehr mobil und kaum einzufangen ist, müsste es in den Böden von Nagasaki auch noch leicht nachweisbar sein, wenn man das richtige Messgerät dafür hat. Wer also mal nach Japan geht, sollte seinen RC103 nicht vergessen mitzunehmen und kann dann im Hotel etwas der lokalen Erde auf Am241 und Cs137 hin analysieren. Aber man kann vermutlich die Erde heute auch ganz ohne Probleme im Fluggepäck mitnehmen, denn sonderlich viel Gamma-Aktivität hat sie heute nicht mehr und Alpha-Strahlung kann man schon mit einem Gefrierbeutel abschirmen. Und wenn ein Zöllner fragt, warum man Erde im Gepäck hat, ist es halt wieder teure Orchideenerde, die man in Japan sich in einem Spezialblumenladen gekauft hat.

Ich habe also andächtig und mit viel Respekt, mein Stückchen Trinitit in Alufolie eingewickelt und mit Tesafilm auf den 8mm Plexiglasträger geklebt, und das ganze auf dem Sweetspot des RC103 befestigt (das + auf der Unterseite). Diese Anordnung habe ich dann in meine Bleiburg geschoben. Die Dosisleistung liegt, wie schon gesagt, homöopathisch bei etwa 40nSv/h. Die Peaks erheben sich aber doch sehr deutlich über den Hintergrund (10h), den ich eingeblendet habe. Und wie bei der Hirschgrabenerde sieht man deutlich den Cs137 Peak (in der Log Darstellung natürlich besser) sowie vorne unter 100keV jetzt 3 kräftigere Peaks. Den ersten würde ich der Am241 Linie bei 17.75keV zuordnen, dann, gerade noch trennbar, poppt ein Peak in 3 benachbarten Bins hoch, den ich dem Cs137 bei 32keV zugeordnet hätte und dann kommt der dritte Peak des Am241 bei 59keV. Jetzt kann man noch ein wenig mit dem Filter spielen, dann fällt das Huckelchen bei 121keV auf. Das kann man dem Eu152 zuordnen, welches in den vielen Berichten zum Trinitit auch als sehr prominent beschrieben wurde, von dem aber wegen der kurzen Halbwertszeit von 13 Jahren, heute nach fast 80 Jahren so gut wie nichts mehr übrig ist. Das Europium eignet sich also nicht als Zeitzeuge. 

In diesem Sinne zolle ich dem RC103 doch gewaltigen Respekt, der einen 80Jahre danach noch immer die radioaktiven Zeitzeugen erkennen läßt, und verneige mich vor dem Spektrum in Gedenken an die grob 260000 Toten der beiden Atombombenabwürfe, die teilweise grausam an den Folgen der Strahlung gestorben sind  .

Angesichts der derzeitigen Kriegshandlungen in der Ukraine und den Ländern wo die israelische Armee gerade unterwegs ist, sowie den Sprüchen des Machthabers in Nordkorea, wünscht man sich, dass ein Messinstrument wie der RC103 keine weitere Kernwaffen Debris mehr sieht, so spannend das auch sein könnte, wenn das Material noch ,,frisch" wäre.

[miles_teg]

Da hast Du wohl recht. Die Sowjets haben aber, im Gegensatz zu den Amerikanern, ihre thermonuklearen Waffen nicht ausschließlich auf irgendwelchen Inseln getestet. Zumindest eine Waffe mit ca. 1,6 MT TNT-Äquivalent (RDS-37) wurde auch auf dem Semipalatinsk-Gelände getestet.

Der Chagan Test war ebenfalls ein thermonukleares Design und mit 140 kT auch ziemlich klein. Natürlich auch mit einem anderen Hintergrund "Peaceful nuclear explosions". Der Krater wirkt auch heute noch beeindruckend:

Dosisleistung ist nach fast 60 Jahren auch recht gering. Ich habe mit dem RAYSID in Bodennähe selten mehr als 4 µSv/h gemessen und das auch nur direkt im Uferbereich. "Charitontschik" habe ich dort nicht gesehen. Aber ich war auch sehr beschäftigt den Anschluss an die Gruppe nicht zu verlieren und gleichzeitig, Fotos, Videos und Messungen zu machen. Und da bleibt wenig Zeit für andere Dinge. Was ich aber gesehen habe: Dort wurde sicher schon mal ein Picknick gemacht. Ich habe entsprechenden Müll jedenfalls gesehen...
Die "Thousand times higher than in Kurchatov" habe ich jedenfalls nicht gesehen, auch a+b+g waren nicht 1000x höher.

[opengeiger.de]

Ja, ich hatte nun ja auch mit dem neuen RC-103 Trinitit vermessen und hab diesen einen Peak ganz vorne gesehen, noch vor dem Cs137 Peak bei 32keV. Ich bin mit den Daten ins Interspec, und als ich Am241 als Referenznuklid eingetippt habe kamen auch ein paar XRF-Linen in der Gegend hoch, die größte lag bei 17keV (deutlich größer als die Gamma Linie bei 26keV), und das passte einigermaßen, also hab ich die diesem Peak zugeornet.

Aber komisch war, als ich die Hirschgrabenerde anschaute und auch den Rauchmelder, beide haben diesen Peak da vorne nicht. Aber, bei @DL3HRT im KC761 Spektrum des Trinitit (https://www.geigerzaehlerforum.de/index.php?msg=27711), da taucht der komische Peak wieder auf. Der scheint also echt zu sein. Und @DL3HRT  hat auch einfach mal Am241 hingeschrieben (warum?). Auch im Spektrum von @Peter-1 (https://www.geigerzaehlerforum.de/index.php?msg=22120) taucht vor dem Cs137 bei 32keV auch noch ein kleiner Peak auf, der etwa bei 17keV liegen könnte. Aber benamst hat er den nicht, obwohl er doch sonst  ein Fan der XRF ist .

Jetzt hab ich mal die Literatur zum Trinitit bemüht. Aber auch diejenigen, die bei den Linien da vorne noch was hinschreiben, haben sehr unterschiedliche Meinung. Manche sagen das seien U-XRF Linien, andere meinen es seien Pu-XRF Linien, aber Am241 taucht in der Literatur auch dafür auf. Und es gibt Leute, die bestimmen an den U-XRF und Pu-XRF Linien von abgebrannten Brennelementen (U und MOX ?), wieviel vom jeweiligen Stoff noch drin ist. Da sieht man auch Spektren von der L-XRF mal für U mal für Pu.  Aber was ist es denn nun beim Trinitit?

Hier mal ein Vergleich Trinitit (schwarz) gegen Hirschgrabenerde (grün, skaliert mit 0.5). Mein RC103 Spektrum ist auf der Energieachse ein klein wenig nach rechts verschoben (2 Bins), aber der 59keV Peak des Am241 kommt an der gleichen Stelle raus (türkis Cs137, rot Am241):

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Mir leuchtet die Therorie, dass im Trinitit Pu-XRF (L-Beta) kräftig beiträgt, gerade am leichtesten ein, denn man weiss, dass die Spaltungsausbeute beim Trinity-Test schlecht war, und grob 70% des Pu verdampft sind und gar nicht erst gespalten wurden. Und die hohe Alpha-Aktivität des im Trinitit noch vorhandenen Pu239 sieht man ja recht schnell. Aber dann müsste man bei 14keV eigentich noch eine Pu-XRF Linie sehen, wenn man sie auflösen könnte. Aber da unten ist die Detektoreffizienz des RC-103 vermutlich nicht mehr so gut, oder er kann die beiden nicht trennen. So ein Pu239 Nachweis mit dem RC103, KC761 oder Raysid anhand einer extern angeregten XRF wäre aber gar nicht schlecht (z.B. falls man mal in Palomares Urlaub macht  )
 
Hat denn jemand eine Rap-Sonde und auch etwas Trinitit und könnte hier zur Klärung beitragen? 

[Peter-1]

Bei der Suche nach einer Erklärung bin ich auf eine Schrift gestoßen.

Radiation in the environment − Poster presentations
Pittauerová et al.
Radioactivity in Trinitite – a review and new measurements
Proceedings of Third European IRPA Congress 2010 June 14−16, Helsinki, Finland
1
Radioactivity in Trinitite - a review and new
measurements
Pittauerová, Daniela 1; Kolb, William M.2
; Rosenstiel, Jon C. 3
; Fischer, Helmut W.1
1 Institute of Environmental Physics, University of Bremen, Otto-Hahn-Alle 1, Bremen, 28359,
GERMANY

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Vielleicht eine Erklärung.

Peter

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Ja, die Frau Pittauerová hat schon einiges zum Trinitit publiziert und mit ihrer Darstellung der niederenergetischen Linien unterhalb der Cs137 Linie bei 26keV als reine U-Xray Linien, eine ganze Reihe anderer Publikationen "kontaminiert". Genauso aber gibt's ein schönes Spektrum vom physicsopenlab  (https://physicsopenlab.org/2019/04/08/hpge-gamma-ray-spectroscopy/) wo über diesen Peaks Am241 steht.

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Schaut man sich aber die Publikationen an, die zum Beispiel die XRF benutzen, um den Gehalt von Plutonium bzw. Uran an abgebrannten Brennelementen bestimmen, dann steht über einigen Linien (14 und 17keV) auch Pu L-beta (https://core.ac.uk/download/pdf/54030432.pdf).

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Was einen dann aber wirklich stutzig macht, sind die Publikationen über das, was man zum Beispiel im Boden von Palomares so findet (https://bib-pubdb1.desy.de/record/82356/files/getfulltext.pdf). Da sieht mein ein ganz ähnliches Spektrum wie bei der Brennelemente Untersuchung mittels EDX .

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Ich habe das Thema auch mit @Prospektor schon diskutiert, der mir da noch einige Verständnistipps gegeben hat. Demnach komme ich eigentlich zur Auffassung, dass sich im RC-103 Spektrum die U-Xray und Pu-XRF im Bereich 14-17keV mischen und der Peak, den man sieht, ein Summenpeak ist, den das Gerät nicht in die einzelnen Beiträger auflösen kann. Ein bisschen wird da auch das Am241 dazu beitragen, aber auf Grund der viel niedrigeren Konzentration werden die Am241 XRF Linien das Geschehen nicht dominieren. Da aber die stärkere U-Xray Linie mit hoher Wahrscheinlichkeit in Folge des Pu239- Zerfalls entsteht, und dann auch noch mit der Pu-Linie zusammenfällt (bei 14 und 17keV), ist dieser Peak, den man da vorne vor den 26keV des Cs137 sieht, meiner Meinung nach ein klares Zeichen für die deutliche Präsenz von Pu239. Das aber hatte es am Hirschgraben nicht viel (max. 150Bq/kg). Aber ja, eine gewisse Restunsicherheit gibt's da ja im Hobbybereich immer. 

Editet: U-XRF = U-Xray

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Nachdem nun die ersten PM's mit Fragen kommen, muss ich vielleicht doch noch mal ausholen, obwohl ich jetzt nicht gerade der Experte für Röntgen-Emissionen beim Alpha-Zerfall schwerer Kerne bin.

Also erstmal zum Begriff PU und U "trennen", da meine ich natürlich nicht ein Stoffgemisch, das man in seine Besandteile trennt sondern Linien im Spektrum, die ein Spektrometer wie der RC-103 entweder trennen kann oder nicht. Und wenn ich da flapsig U und Pu sagte, so meinte ich die entsprechenden Linien.

Dann zum Geschehen im Spektrum von Trinitit des RC-103:

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bzw. des KC761B von @DL3HRT (https://www.geigerzaehlerforum.de/index.php/topic,1872.msg27711.html#msg27711)



da gings um den vordersten Peak bei etwa 17keV und wie der zustande kommt. Also grunsätzlich habe ich so viel aus der Literatur und den Diskussionen mit @Prospektor verstanden, dass beim Alpha-Zerfall des Pu239, das im Trinitit noch reichlich enthalten ist, nach der Emission des Alpha-Teilchens noch keineswegs Ruhe herrscht in der Elektronenhülle des Zerfallsprodukts U235, sondern, dass diese sich unmittelbar nach dem Zerfall noch in einem angeregten Zustand befindet und noch etwas Restenergie übrig ist, die irgendwohin muss. Jetzt rippeln sich die Elektronen in  der Hülle zurecht, sind aber dabei an ihre Schalen und die zugehörigen festen Energien gebunden. Und beim Pu239 Alpha Zerfall wechselt da eben ein ELektron zum Beispiel seinen Platz in der L-Schale und gibt dann eine zum Zerfall gehörige X-Ray Energie ab, die genau dem Schalenübergang beim U Atom entspricht, das aus dem Zerfall entstanden ist. Das ist also keine echte U-XRF wie ich das im vorigen Beitrag genannt habe, so wie beim Geldscheinprüfen im UV-Licht, sondern eine "Innere Konversion" eines angeregten U Atoms. Dafür gibts dann auch eine Konversionswahrscheinlichkeit, welche die Intensität der abgestrahlten Röntgenlinie bestimmt, und die Elektronen die sich so zurecht rippeln, heißen Konversionselektronen (kann man alles irgendwo nachlesen).

Jetzt gibt es aber auch eine echte Pu-XRF, also eine extern angeregte Fluoreszenz des noch nicht zerfallenen Pu-Atoms, die von anderen Photonen mit höherer Energie angeregt wird, z.B. vom Am241 (59keV), wobei diese angeregte Fluoreszenzstrahlung auch wieder eine Röntgenstrahlung ist, die an die Schalenenergien gebunden ist.

Jetzt liegen diese Röntgenlinien ziemlich nah beinander. Wie nah kann man dieser Tabelle entnehmen:

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(aus M.C. Miller X-Ray Fluorescence, http://www.sciencemadness.org/lanl1_a/lib-www/la-pubs/00326405.pdf)

Da taucht nun bei 17keV, wo wir den interessanten Peak sehen, die L-beta2 Linie des Pu bei 17.26keV auf und die L-beta1 Linie des U bei 17.22keV. Und diese beiden Linien kann eben kein Citizen Science Messgerät sauber "trennen" (und vermutlich auch 99% der Profigeräte nicht). Darum steht da an diesem Peak in einem ordentlich benamsten Spektrum Pu und U dran. Anders ist das nun an den sehr prominenten zwei L-alpha1 Peaks des Pu und U bei etwa 14keV. Da liegt die Pu L-alpha1 Linie bei 14.28keV und die U L-alpha1 Linie bei 13.62keV. Das scheinen geeignete Profigeräte auseinanderhalten zu können. Der Radiacode aber auch nicht. Und vermutlich mischen sich beim RC-103 diese 14keV Linien sogar noch mit den 17keV Linien, so meine Vermutung. Eine RAP-Sonde könnte 14 und 17keV Linien aber vielleicht noch "trennen".  Aber sei's drum, die Pu Linien tauchen nur auf wenn es Pu imStoffgemenge hat und die prominenten U Linien tauchen nur auf, wenn Pu239 in U235 zerfällt, aber sonst kein U drin ist, das extern zur so intensiven XRF angeregt wird. So verstehe ich das als Hobby-Forscher.

Zu allem Überfluss hat das Am241 aber auch noch Röntgenlinen bei 13.95keV und bei 16.82  und 17.06keV, allerdings nicht so intensive. Aber wenn Am241 auch noch im Stoffgemisch des Trinitit in ausreichender Konzentration drin ist, dann sieht man wohl auch Beitrage davon, aber ohne sie vom Pu und U "trennen" zu können - im Spektrum natürlich. Ich gehe aber davon aus, dass der Intesitätsbeitrag dieser Linien an dem was wir sehen gering ist.

Wenn ich also nach Nagasaki fliege und mir dort eine Bodenprobe mit dem RC-103 anschaue, dann würde ich jetzt genauso vermuten, dass man dann diesen merkwürdigen Peak bei 17keV sieht. Denn es wird noch ca. 24000 Jahre dauern, bis die Pu239 Reste dort auf die Hälfte zerfallen sind.

Eine andere "nette" Anwendung des 17keV Pu-U Peaks ist hier beschrieben:
https://www.irpa.net/irpa1/cdrom/VOL.2/R2_56.PDF

Ich hoffe damit sind nun alle Klarheiten beseitigt.