Bau einer kontinuierlich betriebenen Diffusionsnebelkammer
Bau einer kontinuierlich betriebenen Diffusionsnebelkammer Bau einer kontinuierlich betriebenen Diffusionsnebelkammer
Abbildung 1.6: Entstehung und Freisetzung von 222 Rn [17, S. 156] Bundesamtes für Strahlenschutz [20] liegt die mittlere Rate für Zerfälle der Radonatome in Wohnräumen bei 50 Bq m3 (max. 70 Bq m3 ). Dieser Wert unterliegt örtlichen Variationen und hängt vom Lüftungsverhalten der Bewohner ab. Natürliche Baustoffe enthalten die langlebigen terrestrischen Radionuklide, sodass mit dem freigesetzten Radon und seinen Zerfallsprodukten alle Komponenten der natürlichen Zerfallsketten in direkte Menschenumgebung gelangen. Es gibt weitere radioaktive Isotope, die in den Zerfallsketten nicht enthalten sind. Tritium 3 H (β − ), Kohlenstoff 14 C (β − ) und Kalium 40 K (β − , EC) sind in geringen Konzentrationen in der Luft vorzufinden. Sie entstehen unter anderem als Folgeprodukte von Reaktionen der Höhenstrahlung mit der Erdatmosphäre. 40 K kommt auch im Boden und Gestein vor. 1.5.2 Höhenstrahlung Kosmische Strahlung, auch Höhenstrahlung genannt, stammt von extraterrestischen Quellen. Die primäre Strahlung, die am äußeren Rand der Erdatmosphäre detektiert wird, besteht nach H. V. Klapdor-Kleingrothaus und K. Zuber [19] zu ca. 98% aus vollständig ionisierten Kernen und nur zu ca. 2% aus Elektronen. Unter den Kernen sind fast alle chemischen Elemente vertreten, wobei laut C. Grupen [16], [18] etwa 85% davon Protonen (Was- 17
serstoffkerne) und ca. 12% α-Teilchen (Heliumkerne) sind. Mit restlichen 3% sind Kerne schwererer Atome (Z ≥ 3) vertreten. Die genaue Zusammensetzung unterliegt einer zeitlichen Variation. Auf dem Weg zur Erdoberfläche treten die Bestandteile in eine Wechselwirkung untereinander bzw. mit den Atmosphärenmolekülen. Laut C. Grupen [16] beträgt die Wechselwirkungslänge für Hadronen 90, 0 g Strahlungslänge für Photonen und Elektronen 36, 66 cm 2 und die g cm 2 , womit sich die Erdatmosphäre mit 1000 g cm 2 über viele dieser Längen erstreckt und praktisch keine Teilchen der primären kosmischen Strahlung zur Erdoberfläche durchlässt. Da Protonen den Hauptbestandteil der primären Höhenstrahlung bilden, kann man das Spektrum ihrer Reaktionsprodukte zur groben Beschreibung der sekundären kosmischen Strahlung verwenden. Abbildung 1.7 stellt die entsprechenden Prozesse schematisch dar. In einer Wechselwirkung mit Atmosphärennukleonen ¯ N zerfallen Protonen größtenteils in Pionen: p + ¯ N → p ′ + ¯ N ′ + k±π + + k±π − + k0π 0 , p + ¯ N → n + ¯ N ′ + (k± + 1)π + + k±π − + k0π 0 , wobei die Anzahlen der Produktteilchen k± und k0 von den Energien der ursprünglichen Protonen abhängig sind. Die Wahrscheinlichkeit, Kaonen 10 als Zerfallsprodunkte eines Protons zu erhalten, beträgt laut C. Grupen [16] nur 10% verglichen mit der für Pionenerzeugung. Neutrale Pionen lösen eine elektromagnetische Kaskade aus, indem sie in zwei Photonen zerfallen (π 0 → γ + γ), die e + -e − -Paare erzeugen können. Elektronen und Positronen können bei geeigneten Energien in einer Paarvernichtung wieder Photonen erzeugen. Diese Prozesse wiederholen sich, bis die Energien der Produkte unter einem für die Reaktion kritischen Wert liegen. Auch Elektronen und Photonen aus der primären Strahlung tragen auf diese Weise zur Elektronen- bzw. Positronenbilanz auf Meeresniveau bei. Die geladenen Pionen zerfallen nach folgendem Schema: π + → µ + + νµ, π − → µ − + ¯νµ. Die entstehenden Myonen können anschließend weiter zerfallen: µ − → e − + ¯νe + νµ, µ + → e + + νe + ¯νµ. Ein großer Teil von ihnen erreicht aber auch die Erdoberfläche. 10 Kaonen zerfallen nach relativ kurzer Zeit in Myonen (K + → µ + +νµ, K − → µ − + ¯νµ) und tragen damit zur Myonenbilanz auf der Erdoberfläche bei. 18
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serstoffkerne) und ca. 12% α-Teilchen (Heliumkerne) sind. Mit restlichen 3%<br />
sind Kerne schwererer Atome (Z ≥ 3) vertreten. Die genaue Zusammensetzung<br />
unterliegt <strong>einer</strong> zeitlichen Variation.<br />
Auf dem Weg zur Erdoberfläche treten die Bestandteile in eine Wechselwirkung<br />
untereinander bzw. mit den Atmosphärenmolekülen. Laut C. Grupen<br />
[16] beträgt die Wechselwirkungslänge für Hadronen 90, 0 g<br />
Strahlungslänge für Photonen und Elektronen 36, 66<br />
cm 2 und die<br />
g<br />
cm 2 , womit sich die<br />
Erdatmosphäre mit 1000 g<br />
cm 2 über viele dieser Längen erstreckt und praktisch<br />
keine Teilchen der primären kosmischen Strahlung zur Erdoberfläche<br />
durchlässt. Da Protonen den Hauptbestandteil der primären Höhenstrahlung<br />
bilden, kann man das Spektrum ihrer Reaktionsprodukte zur groben<br />
Beschreibung der sekundären kosmischen Strahlung verwenden. Abbildung<br />
1.7 stellt die entsprechenden Prozesse schematisch dar.<br />
In <strong>einer</strong> Wechselwirkung mit Atmosphärennukleonen ¯ N zerfallen Protonen<br />
größtenteils in Pionen:<br />
p + ¯ N → p ′ + ¯ N ′ + k±π + + k±π − + k0π 0 ,<br />
p + ¯ N → n + ¯ N ′ + (k± + 1)π + + k±π − + k0π 0 ,<br />
wobei die Anzahlen der Produktteilchen k± und k0 von den Energien der<br />
ursprünglichen Protonen abhängig sind. Die Wahrscheinlichkeit, Kaonen 10<br />
als Zerfallsprodunkte eines Protons zu erhalten, beträgt laut C. Grupen [16]<br />
nur 10% verglichen mit der für Pionenerzeugung.<br />
Neutrale Pionen lösen eine elektromagnetische Kaskade aus, indem sie<br />
in zwei Photonen zerfallen (π 0 → γ + γ), die e + -e − -Paare erzeugen können.<br />
Elektronen und Positronen können bei geeigneten Energien in <strong>einer</strong> Paarvernichtung<br />
wieder Photonen erzeugen. Diese Prozesse wiederholen sich, bis die<br />
Energien der Produkte unter einem für die Reaktion kritischen Wert liegen.<br />
Auch Elektronen und Photonen aus der primären Strahlung tragen auf diese<br />
Weise zur Elektronen- bzw. Positronenbilanz auf Meeresniveau bei.<br />
Die geladenen Pionen zerfallen nach folgendem Schema:<br />
π + → µ + + νµ,<br />
π − → µ − + ¯νµ.<br />
Die entstehenden Myonen können anschließend weiter zerfallen:<br />
µ − → e − + ¯νe + νµ,<br />
µ + → e + + νe + ¯νµ.<br />
Ein großer Teil von ihnen erreicht aber auch die Erdoberfläche.<br />
10 Kaonen zerfallen nach relativ kurzer Zeit in Myonen (K + → µ + +νµ, K − → µ − + ¯νµ)<br />
und tragen damit zur Myonenbilanz auf der Erdoberfläche bei.<br />
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