Messfehler bei der Strahlungsmessung

[opengeiger.de]

Ja, nun will ich doch mal ein polarisierendes Thema anschneiden. Anlässe gabs in der Vergangenheit eigentlich schon genug, aber nun hab ich doch einen spezielleren Anlass. Da hat mich doch neulich ein Schüler angeschrieben und gefragt ob ich ihm nicht eine Anleitung für den Bau eines einfachen Geigerzählers geben kann, er möchte in einer Schularbeit im Physik-Leistungskurs die Fehler untersuchen, die man beim Messen mit einem Geigerzähler so machen kann. Da war ich dann schon etwas platt. Aber so was, das muss man doch eigentlich unterstützen, oder? Gut, mittlerweile habe ich ja schon etwas Übung mit Anfragen aus dem Internet, sogar wenn der am anderen Ende sagt, er sei ein Jugendlicher. Man muss da ja mittlerweile auf alles gefasst sein. Aber nach Prüfung auf Plausibilität schien das dann doch der Wahrheit zu entsprechen und auch hinsichtlich der Proben, die er dafür nutzen will, schien mir das förderungswürdig.

Dann habe ich mir erst überlegt, was kann den ein Schüler heut noch so mit Elektronik selber bauen, der sich ja auch typischerweise erst ein paar Wochen vor Abgabe der Arbeit daran erinnert, dass es da ja noch was zu basteln gibt, das nicht unbedingt gleich von Anfang an gleich glatt geht. Und Hochspannung selber basteln, so dass die Funken fliegen? Also gut damit war das Konzept schon klar, fertiges SBM-20 Zählrohr-Modul mit digitalem Zählimpulsausgang und ein Arduino zum Stecken. Sonst müsst man ja erst damit anfangen das Löten mit Skype zu erklären und überhaupt das Blei im Lötrauch übersteigt ja Plumbum Metallicum D12 bei weitem, und ich kenne ja die Eltern nicht. Also bietet sich die Arduino IDE doch viel mehr an, und es ist auch viel zeitgemäßer die Elektronik von der Software-Seite anzugehen. Ich warte eigentlich drauf, bis die Arduino IDE unter Android rauskommt.     

Der Schwerpunkt der Arbeit soll ja vermutlich auch nicht so sehr auf der Bastelseite liegen, sondern es soll, so wie eine solche Arbeit es verlangt, das Verfassen einer wissenschaftlichen Arbeit erlernt werden. Also gut, die Fehlerabschätzung sollte ja immer in einer naturwissenschaftlichen Arbeit enthalten sein, bei der etwas gemessen wurde. 

Tja und dann kam ich ins Grübeln, was sind denn nun so die typischen Fehler die gemacht werden, wenn man einfach mal Strahlung mit dem Geigerzähler messen will? Also quantitativ, meine ich jetzt. Vielleicht tät es ja unsereins auch mal gut, das zusammenzutragen.

Fangen wir mal an mit der Nummer eins des Fehlers, mit dem hab ich mich ja kürzlich ausgiebig befasst, das ist nun verstanden. Das ist der statistische Fehler, wenn man die mittlere Impulsrate aus einer endlichen Messzeit schätzt. Da wissen wir nun, wie man das handhabt, das folgt der Poisson-Statistik und Statistik das lernt man heute ja in Mathe in der Oberstufe schon (bzw. immer noch in G8).

Nummer 2 unter den Fehlern? Ja, ok, welche Strahlungsart will ich messen?
Nummer 3: Die Strahlungsgeometrie?
Nummer 4: Energieabhängigkeit des Zählrohrs?
Der Einfluss des Gehäuses?
Temperatur
Stabilität der Hochspannung
Wie geht's dann weiter?

Wir könnten das doch mal sammeln, so quasi als Best Practices? Wir haben doch auch immer wieder interessierte Neumitglieder, die nicht notwendigerweise bisher im Kontrollbereich eines Kernkraftwerks gearbeitet haben und nun zwangsweise und erstklassig gebildet in den Vorruhestand gehen.

Wer hat denn welche Ideen was ein Ungeübter alles falsch gemacht haben kann, wenn er das erste Mal mit einem Geigerzähler losgezogen ist und nun feststellt, er hat auf einer Halde 10uSv/h gemessen? 

[etalon]

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Fangen wir mal an mit der Nummer eins des Fehlers, mit dem hab ich mich ja kürzlich ausgiebig befasst, das ist nun verstanden. Das ist der statistische Fehler, wenn man die mittlere Impulsrate aus einer endlichen Messzeit schätzt. Da wissen wir nun, wie man das handhabt, das folgt der Poisson-Statistik und Statistik das lernt man heute ja in Mathe in der Oberstufe schon (bzw. immer noch in G8).
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Jetzt schaue ich seit Längerem hier mal wieder rein und finde gleich ein recht interessantes Thema, welches Bernd da ausgegraben hat. Leider ist es ebenso interessant wie komplex, will man es richtig machen, wie halt eigentlich immer im Leben... 

Naja, also im G8 lernt man zwar die Grundzüge der Statistik, aber bis zur Poisson-Verteilung o.Ä. kommt man da bei Weitem nicht, wie gerade meine Große in ihrem Studium feststellen muss 

Zum Thema:
Da haben sich im Ramen der Strahlungsmessung schon viele intelligente Menschen Gedanken darüber gemacht und dies, wie hier zu Lande üblich, in DIN/ISOs gegossen. Den mathematischen Auftakt macht hierzu die DIN/ISO 11929, welche angelehnt an die frequentistische Statistik des GUM diese aber noch um die Bayes-Statistik erweitert (und die hat man ganz sicher nicht in der Schule  ), um auch Typ B Unsicherheiten in die Betrachtung einbeziehen zu können. Daraus ergeben sich dann die charakteristischen Größen für eine entsprechende Messung (Messwert, Erkennungsgrenze, Nachweisgrenze, obere/untere Vertrauensbereichsgrenze, bester Schätzer)

Das heißt, es werden erst mal Typ A Unsicherheiten (Fehler 1. Art) und Typ B Unsicherheiten (Fehler 2. Art) unterschieden. Ersterer sind hauptsächlich der Messung und dem Messverfahren inherente Fehler und belaufen sich idR auf zählstatistische Unsicherheiten bei unkorrelierten (z.B. Geigerzähler) und korrelierten (z.B Gammaspe) Eingangsgrößen.
Typ B Unsicherheiten betrachten dann z.B. auch Unsicherheiten aus a priori Wissen, wie z.B. Unsicherheiten aus der Probenahme.

Die DIN/ISO 25457 versucht dann, die Mathematik in Anwendungsfällen ins Doing zu übersetzen.

Grundsätzlich geht jeder Messung ein Aufstellen eines Unsicherheitsbudgets voraus, so wie du es auch schon begonnen hast. Dabei wird unterschieden nach Typ A und Typ B Unsicherheiten. Und diese Aufstellung ist mit Abstand das schwierigste Unterfangen an der ganzen Nummer, denn dafür gibt es keine Blaupausen und das vollständige Betrachten aller Unsicherheiten zum Einen als auch das richtige Quantifizieren zum Anderen (vor allem von Typ B Unsicherheiten) bedarf eines tieferen Verständnisses für die angewandte Messtechnik als auch eine gehörige Portion Erfahrung. Denn letzten Endes tragen natürlich alle Unsicherheiten zur Qualität des Messergebnisses bei, aber dank der Gaussschen Fehlerfortpflanzung nicht alle gleich schwer. So muss man im Vorfeld schon ein Gefühl oder die notwendige Erfahrung haben, um ein umfängliches Unsicherheitsbudget auch sinnvoll mit Leben zu füllen.

Ich könnte da jetzt noch viele Seiten weiter schreiben, aber das sprengt jeglichen Rahmen. Hinweise darauf hatte ich ja an verschiedenen Stellen schon immer mal gegeben. Es freut mich also wirklich, dass das Thema Unsicherheiten bei der Strahlungsmessung Beachtung findet, ist das doch leider ein sehr vernachlässigtes Thema in diesem Bereich, da die meisten idR immer nur mit absoluten Messwerten um sich werfen, welche eine Bewertung kaum zulassen.

Bin also gespannt, was hierzu zusammengetragen wird... 

[Raddet]

Als ich an die Universität kam, hieß die erste Laborarbeit in unserem Physikkurs so: "Untersuchung statistischer Fehler, die bei der Messung der Intensität der kosmischen Strahlung im Labor auftreten."

Aber das muss übersetzt werden...

[opengeiger.de]

Das erste Feedback ist gleich mal sehr hilfreich! Also den GUM, den kenn ich nun ja schon sehr gut, mehr aus beruflichen Gründen. Aber mit den DIN Vorschriften, da hatt ich's bisher jetzt nicht so sehr. Die werde ich mir nun aber mal vornehmen, und schauen, was man da so rausholen kann. Danke für den Hinweis, welche da wichtig sind!

Aber ich hätt auch gleich das ganz praktische Beispiel. Da war ich jetzt heute früh mit dem chinesischen Billig-Gerät (Joy-It JT-RAD01), dem Radiacode 101 und einem etwas älteren Automess 6150 AD4 mit energiekompensiertem Zählrohr in Stuttgart Downtown und bin die Königstrasse auf dem Flossenbürger Granit einmal rauf- und wieder runtergelaufen. Die Gehgeschwindigkeit und dieMäandern hab ich so eingestellt, dass das ziemlich genau 30 Minuten gedauert hat. Die drei Geräte habe ich in einer Gürteltasche auf gleicher Höhe in Gonadenhöhe getragen. Das Ergebnis für die akkumulierte Dosis in den 30min: Der Radiacode zeigte 94.2nSv an, der Automess 0.08uSv und der Joy-It mit dem J321 Zählrohr 0.11uSv. So ganz ins bisherige Bild passt das nicht. Vor allem der Automess, der kommt arg niedrig raus. Der Radiacode, dem ja nachgesagt wird, dass er bei Niedrigdosis immer noch etwas zu niedrig daherkommt misst mehr. Hmmm, wo sind jetzt da die Möglichkeiten für Fehler?   

[NoLi]

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Ich könnte da jetzt noch viele Seiten weiter schreiben, aber das sprengt jeglichen Rahmen. Hinweise darauf hatte ich ja an verschiedenen Stellen schon immer mal gegeben. Es freut mich also wirklich, dass das Thema Unsicherheiten bei der Strahlungsmessung Beachtung findet, ist das doch leider ein sehr vernachlässigtes Thema in diesem Bereich, da die meisten idR immer nur mit absoluten Messwerten um sich werfen, welche eine Bewertung kaum zulassen.

Bin also gespannt, was hierzu zusammengetragen wird... 

Eine unendliche Geschichte, wie man in diesem Kurs feststellen kann:

https://www.fortbildung.kit.edu/downloads/KURS-PDF/SA252.pdf

Immer wieder fliessen seitens der Physiker und Mathematiker neue Erkenntnisse ein, die Normen werden überarbeitet und neu aufgelegt.

https://www.fs-ev.org/arbeitskreise/nachweisgrenzen

https://www.fs-ev.org/fileadmin/user_upload/04_Arbeitsgruppen/13_Umweltueberwachung/02_Dokumente/Loseblattsammlung/Loseblattsammlung/LB3_4_1.pdf

Die Kunst hier wird sein, dieses "Brimborium" zu einem allgemein verständlichen, auch für den mathematisch nicht angehauchten Laien einfachen anwendungsorientierten Leitfaden zusammen zu stellen und zu erläutern.

Norbert

[NoLi]

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Hmmm, wo sind jetzt da die Möglichkeiten für Fehler? 

In erster Linie in der Energieabhängigkeit der verbauten Detektoren, denn natürlich radioaktive Stoffe in Gesteinen weisen ein komplexes Gamma-Energiespektrum auf. Der AUTOMESS-6150AD6 bewertet ab 60 keV, alles unterhalb wird nicht registriert (die Hx-Geräte dieser Baureihe weisen sogar nicht mal die Am-241 Gamma-Linie von 59,5 keV nach!). Und ab welcher Energie bewerten die anderen Gerätetypen, und mit welcher Effizienz? Dies ist maßgeblich für eine Dosisanzeige.

Norbert

[etalon]

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Aber ich hätt auch gleich das ganz praktische Beispiel. Da war ich jetzt heute früh mit dem chinesischen Billig-Gerät (Joy-It JT-RAD01), dem Radiacode 101 und einem etwas älteren Automess 6150 AD4 mit energiekompensiertem Zählrohr in Stuttgart Downtown und bin die Königstrasse auf dem Flossenbürger Granit einmal rauf- und wieder runtergelaufen. Die Gehgeschwindigkeit und dieMäandern hab ich so eingestellt, dass das ziemlich genau 30 Minuten gedauert hat. Die drei Geräte habe ich in einer Gürteltasche auf gleicher Höhe in Gonadenhöhe getragen. Das Ergebnis für die akkumulierte Dosis in den 30min: Der Radiacode zeigte 94.2nSv an, der Automess 0.08uSv und der Joy-It mit dem J321 Zählrohr 0.11uSv. So ganz ins bisherige Bild passt das nicht. Vor allem der Automess, der kommt arg niedrig raus. Der Radiacode, dem ja nachgesagt wird, dass er bei Niedrigdosis immer noch etwas zu niedrig daherkommt misst mehr. Hmmm, wo sind jetzt da die Möglichkeiten für Fehler? 

Das ist schon mal ein sehr schönes Beispiel!
Das Billigteil kenne ich nicht, kann dazu also nix sagen. Aber bei professionellen Dosisleistungsmessgeräten wie dem AD6150 müssen gewisse Angaben auf dem Gerät vermerkt sein, damit dieses der Eichfähigkeit und damit der Zulassung zur Dosisermittlung entspricht. Auch wenn bei den alten Geräten die oben genannten DIN/ISOs noch keine Anwendung fanden, so wurde auf jeden Fall der Zählstatistische Fehler berücksichtigt. Daher findest du auf dem Gerät neben dem zulässigen Energiebereich für Photonenstrahlung und deren zulässiger Einfallwinkel auch immer einen Anzeigebereich und einen Messbereich. Dabei ist der Anzeigebereich immer größer als der Messbereich, denn nur innerhalb des Letzteren sind für eine Messung mit ausrechender statistischer Genauigkeit (welche das bei Automess ist, kann man dort erfragen, ich glaube +-30%) genügend Impulse für die angezeigte Dosisleistung eingezählt worden. Das hängt also von der Empfindlichkeit des Zählrohres ab, wie geringe Dosisleistungen mit ausreichender Zählstatistik gemessen werden kann. Der Anzeigebereich geht da deutlich darüber hinaus, allerdings ist der ausgegebene Messwert dann eben statistisch unsicherer. Die Begrenzung gilt auch nach oben, da irgend wann die Totzeit und die damit verlorenen Impulse so hoch wird, dass man auch wieder aus der Toleranzgrenze fällt. Das sind also herstellerseitig sehr wichtige Angaben. Und bei der Messung solch niedriger Dosisleistungen bist du da ganz sicher aus dem Messbereich für dieses Gerät raus.

Da hat der RDC101 sicher die höhere Genauigkeit, da pro deponierter Energie viel mehr Impulse erzeugt werden, was alleine aus zähstatistischer Sicht schon ein genaueres Messergebnis erwarten lässt.

Wenn man also gedanklich mal die Unsicherheiten als Fehlerbalken an die Messwerte heftet, dann zeigen sie im Rahmen der Selben doch das Gleiche an und die Welt ist wieder in Ordnung... 

[etalon]

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Die Kunst hier wird sein, dieses "Brimborium" zu einem allgemein verständlichen, auch für den mathematisch nicht angehauchten Laien einfachen anwendungsorientierten Leitfaden zusammen zu stellen und zu erläutern.

Norbert

Da hast du vollkommen recht (kann ich leidlich ein Lied von singen)... 

Aber gerade letzteres wird ja in der DIN/ISO 25457 versucht. Nämlich die etwas abstrakte Mathematik in praktische Anwendung und Beispiele zu überführen...

Aber wie Einstein (ich glaube der wars) schon vollkommen zurecht sagte:

,,Macht die Dinge so einfach wie möglich, aber nicht einfacher!"

Dem ist absolut nichts hinzuzufügen!

[opengeiger.de]

Gut, aber bei dem Automess wär da noch ein Thema: Er ist bei Ebay gebraucht erworben. Man kann nicht sehen wieviele Pulse das Zählrohr schon gesehen hat. Wie äussert sich den ein Wearout bei so einem Zählrohr? Hat da jemand Erfahrung. Die Zählpulse werden ja eher ab- als zunehmen. Ist das ne langsame Alterung oder eher etwas Abruptes?

[etalon]

Gut, aber bei dem Automess wär da noch ein Thema: Er ist bei Ebay gebraucht erworben. Man kann nicht sehen wieviele Pulse das Zählrohr schon gesehen hat. Wie äussert sich den ein Wearout bei so einem Zählrohr? Hat da jemand Erfahrung. Die Zählpulse werden ja eher ab- als zunehmen. Ist das ne langsame Alterung oder eher etwas Abruptes?

Ja sicher, auch das hat einen Einfluss. Die Alterung erfolgt schleichend. Daher werden die Geräte im professionellen Bereich ja auch immer in regelmäßigen Abständen wiederkehrenden Prüfungen unterzogen, um genau so etwas zu erkennen und entsprechend reagieren zu können...

[Kermit]

Um ein wenig Lesestoff für den Schüler beizusteuern, das Buch ist in der Bibo oder antiquarisch zu haben. Eventuell hat es der Physiklehrer ja auch.

Hier sind ein paar Kapitel zur Fehlerschätzung / Fehlerrechnung einschließlich der "Radiometrie" enthalten.

zum Bsp.hier:
https://www.zvab.com/buch-suchen/titel/physikalisches-praktikum/autor/ilberg/

Sie dürfen in diesem Board keine Dateianhänge sehen.Sie dürfen in diesem Board keine Dateianhänge sehen.Sie dürfen in diesem Board keine Dateianhänge sehen.

[NoLi]

...
Das hängt also von der Empfindlichkeit des Zählrohres ab, wie geringe Dosisleistungen mit ausreichender Zählstatistik gemessen werden kann. Der Anzeigebereich geht da deutlich darüber hinaus, allerdings ist der ausgegebene Messwert dann eben statistisch unsicherer. Die Begrenzung gilt auch nach oben, da irgend wann die Totzeit und die damit verlorenen Impulse so hoch wird, dass man auch wieder aus der Toleranzgrenze fällt. Das sind also herstellerseitig sehr wichtige Angaben. Und bei der Messung solch niedriger Dosisleistungen bist du da ganz sicher aus dem Messbereich für dieses Gerät raus.
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Was die Anzeige- und den Messbereichsangabe im empfindlichsten Bereich angeht, stimme ich überein. Nur bei der Maximalanzeige stimmt dies nicht, sonst gibt es keine Eichzulassung! Hier darf die Anzeige auch mit 100facher Überstrahlung des Maximalgerätemesswertes nicht zurück gehen.

Norbert

[etalon]

Was die Anzeige- und den Messbereichsangabe im empfindlichsten Bereich angeht, stimme ich überein. Nur bei der Maximalanzeige stimmt dies nicht, sonst gibt es keine Eichzulassung! Hier darf die Anzeige auch mit 100facher Überstrahlung des Maximalgerätemesswertes nicht zurück gehen.

Norbert

Das habe ich auch nicht geschrieben. Das Messgerät wird aber bei hohen Impulsraten am Zählrohr zunehmend zu wenig Dosisleistung anzeigen und damit irgend wann aus der Toleranzgrenze des Messbereichs rausfallen. Es geht also nichts zurück, sondern wird nur zunehmend zu wenig angezeigt. Um das zu umgehen, sind die Hersteller dazu übergegangen, bei Überschreiten der oberen Messbereichsgrenze einfach deren Maximalwert blinkend anzuzeigen (zumindest bei Automess ist das so), aber keinen Messwert darüber auszugeben. Damit ist der Eichordnung genüge getan...

[opengeiger.de]

Weiss eigentlich jemand, wie häufig das Niedrigdosiszählrohr 70031A in einer ODL-Sonde getauscht wird?

Die andere Sache: Beim Automess wird doch die Eichfähigkeit auch dadurch erreicht, dass es im Gerät eine Möglichkeit gibt, mit der man den Konversionsfaktor cpm/(uSv/h) korrigieren kann. D.h.wenn das Zählrohr langsam degradiert, dann kann man das in einem gewissen Rahmen mit dem Kalibrierfaktor wieder kompensieren, wenn das Gerät zum Eichen eingeschickt wird. Dann gibts aber sicher einen Bereich in dem der Kalibrierfaktor ligenen muss, sonst wird das Zählrohr getauscht, oder das Gerät muss sonst wie repariert werden, seh ich das richtig? Und beim Ebay Gerät weiß man halt nicht, wie weit der Kalibrierfaktor vom Austausch-Limit weg ist, oder?

[NoLi]

Das habe ich auch nicht geschrieben. Das Messgerät wird aber bei hohen Impulsraten am Zählrohr zunehmend zu wenig Dosisleistung anzeigen und damit irgend wann aus der Toleranzgrenze des Messbereichs rausfallen. Es geht also nichts zurück, sondern wird nur zunehmend zu wenig angezeigt. Um das zu umgehen, sind die Hersteller dazu übergegangen, bei Überschreiten der oberen Messbereichsgrenze einfach deren Maximalwert blinkend anzuzeigen (zumindest bei Automess ist das so), aber keinen Messwert darüber auszugeben. Damit ist der Eichordnung genüge getan...

Das stimmt!
Daher wird die sinkende Empfindlichkeit bei höherer Strahlungsintensität auf Grund der sogenannten Totzeit des Zählrohres bis zur max. Nenndosisleistung durch einen "adaptiven Kalibrierfaktor" kompensiert; zumindest bei eichfähigen Geräten.
Dies ist zumindest ein Grund, warum der max. Dosisleistungsmessbereich bei den meisten Consumer-Geräten ohne diese Kompensation auf 999 µSv/h begrenzt ist bzw. der Anzeigefehler bei höherer Dosisleistung zunimmt (je nach Zählrohrtyp).

Norbert