Wehrwissenschaftliche Forschung Jahresbericht 2012

Forschungsaktivitäten 2012
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Dr. Christoph Nebel
Fraunhofer-Institut für Angewandte
Festkörperphysik, Freiburg
christoph.nebel@iaf.fraunhofer.de
Neuartiges Detektionsverfahren für gefährliche Alpha-Strahler
in Trinkwasser
Radionuklide, die α-Strahlung (Helium-Kerne) emittieren,
sind bei Inkorporation extrem schädlich für die menschliche
Gesundheit. Die krankmachende Wirkung tritt zeitverzögert
auf und ist medizinisch kaum behandelbar. Derartige Nuklide
können nur sehr schwer erkannt werden, da α-Strahlung
eine sehr geringe Reichweite in Materie besitzt und durch ein
einfaches Behältnis vollständig abgeschirmt werden kann.
Die wichtigsten α-Strahler finden sich in der Gruppe der
Actinoide, das sind Elemente mit Ordnungszahlen zwischen
89 und 103. Alle Actinoide sind Metalle, radioaktiv und giftig.
Eine besonders hohe Gefährdung kann durch das Zerfallsprodukt
Polonium 210 entstehen, da es ebenfalls hochradioaktiv
ist und fast ausschließlich α-Strahlung emittiert. Daher ist
eine einfache Detektion über die den radioaktiven Zerfall
normalerweise begleitende hochenergetische Röntgenstrahlung
(γ-Strahlung) nicht möglich.
Die biologische Schadwirkung dieser schnellen Heliumkerne
ist 20-mal höher, als die von γ-Strahlung, wenn derartige
Radionuklide in den menschlichen Körper gelangen. Die kinetische
Energie eines Alphateilchens liegt typischerweise in der
Größenordnung von 2 bis 5 MeV. Alphateilchen aus künstlich
erzeugten Nukliden können sogar Energien von über 10 MeV
besitzen. Traurige Berühmtheit hat der Fall Alexander Litwinenko
erlangt, aber auch andere prominente Todesfälle mit
derzeit noch ungeklärter Ursache werden diesbezüglich neu
untersucht. Außerhalb des Körpers schadet die Strahlung
dagegen kaum, da α-Partikel bereits in den oberen toten
Hauschichten absorbiert werden und damit keine lebenden
Zellen schädigen.
Für einen Attentäter ist der Transport dieser Substanzen in
einem einfachen Behältnis völlig ungefährlich. Eine schnelle
Detektion ist nicht möglich. Derartiges Material kann somit
risikolos transportiert und auch in überwachte Bereiche eingeschleust
werden. Zusätzlich tritt die medizinische Wirkung,
z. B. über eine Kontamination von Trinkwasser, zeitverzögert
mit zunächst recht unspezifischen Symptomen auf. Ein Anschlag
kann daher fast ohne Risiko für die eigene Gesundheit
oder der frühzeitigen Enttarnung durchgeführt werden.
Für Streitkräfte im Auslandseinsatz ist die Versorgung mit
sauberem Trinkwasser eine wichtige Voraussetzung für eine
erfolgreiche Missionsdurchführung. Es existieren ausgereifte
Anlagen, die aus beliebigen Quellen hygienisch einwandfreies
Trinkwasser aufbereiten können. Eine absichtliche Kontamination
der Entnahmestelle mit α-Strahlern kann derzeit jedoch
nicht automatisiert und zeitnah festgestellt werden. Aufbauend
auf dem nachfolgend beschriebenen Projekt der zivilen
Sicherheitsforschung wird ein System zum besseren Schutz
von Soldaten im Auslandseinsatz entwickelt.
Im Rahmen des BMBF geförderten Projekts „System zur
Spurendetektion von α-Partikeln in Wassernetzwerken“ wird
ein Echtzeit-Messsystem realisiert, welches es erlaubt, eine
Actinoid-Verunreinigung von Trinkwasser in wenigen Minuten
zu ermitteln. Dies wird durch die Kombination einer elektrochemischen
Elektrode aus Diamant und einem Si-basierten
α-Teilchendetektor erreicht. Eventuell vorhandene Actinoid-
Atome werden an der Elektrode chemisch ausgefällt und so
auf dem Sensor angereichert. Der Nachweis erfolgt durch den
integrierten α-Teilchen-Detektor, der auch die Energie der
Strahlung misst. Da α-Strahlung eine für das jeweilige Radionuklid
charakteristische Energie besitzt, erhält man über
diesen Wert eine aussagekräftige Information über die Art und
den möglichen Ursprung der radioaktiven Kontamination.
Der neuartige Sensor wird in enger Zusammenarbeit des
Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF,
mit dem Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT,
dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), dem Commissariat
à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
und Canberra France entwickelt. Besondere Forschungsherausforderungen
sind die Kombination der Diamant-Abscheidung
auf Si-basierten α-Teilchen-Sensoren, die bei niedrigen
Temperaturen und auf großen Flächen erfolgen muss. Hinzu
kommt die Entwicklung eines chemischen Actinoid-Akkumulationsschritts
auf der Diamantelektrode und deren Reinigung
nach der Messung durch einen Regenerierungsprozess. Damit
wird eine kontinuierliche Messung zur Überwachung von
Trinkwassernetzen und -Quellen möglich.
Abb. 1: Erste Sensor-Prototypen im Größenvergleich Abb. 2: Ausschnitt eines Wafers mit Sensorstrukturen Abb. 3: Der Sensor im Detail Abb. 4: Funktionsprinzip des Sensors.
Linke Seite: Aufgrund der geringen Reichweite von α-Strahlung in Wasser kann diese
normalerweise nicht nachgewiesen werden.
Rechte Seite: Durch eine gezielte Anreicherung von Actinoiden in der Nähe des Detektors
kann die Strahlung detektiert werden