allgemein

Strahlungsphysik: Röntgen und Gamma in der ZfP

Wie entsteht Röntgenstrahlung? Was ist Gammastrahlung? Schwächungsgesetz, Halbwertschicht und Strahlenschutz – die physikalischen Grundlagen der Durchstrahlungsprüfung.

Ionisierende Strahlung in der ZfP

Die Durchstrahlungsprüfung (RT) nutzt elektromagnetische Strahlung mit sehr kurzer Wellenlänge (10⁻¹⁰ bis 10⁻¹² m). Diese ionisierende Strahlung durchdringt Materie und wird je nach Werkstoffdichte und -dicke unterschiedlich stark geschwächt — so entsteht das Durchstrahlungsbild.

Röntgenstrahlung

Entsteht in einer Röntgenröhre: Elektronen werden in einer Vakuumröhre durch Hochspannung (40–450 kV für industrielle RT) beschleunigt und treffen auf die Anode (meist Wolfram):

  • Bremsstrahlung (90 %): kontinuierliches Spektrum durch Abbremsung im Feld der Atomkerne
  • Charakteristische Strahlung (10 %): diskrete Energien aus Elektronenübergängen im Anodenmaterial

Maximale Energie Emax [keV] ≈ Röhrenspannung U [kV]. Prüfbare Stahldicke: bis ca. 100 mm mit 450-kV-Röhre.

Gammastrahlung

Entsteht beim Zerfall radioaktiver Atomkerne (natürlich oder künstlich). Diskrete Energien (charakteristisch für das Nuklid), konstant und nicht einstellbar.

NuklidEnergieHWZEinsatz Stahl
Iridium-192 (Ir-192)0,3–0,6 MeV74 Tage20–100 mm
Cobalt-60 (Co-60)1,17; 1,33 MeV5,27 Jahre50–200 mm
Selen-75 (Se-75)0,1–0,4 MeV120 Tage10–40 mm
Ytterbium-169 (Yb-169)0,05–0,3 MeV32 Tagebis 15 mm

Schwächungsgesetz

Die Intensität nimmt exponentiell mit der Materialdicke ab:

I = I₀ × e−µ·d

  • I₀ = Eingangsintensität
  • µ = Schwächungskoeffizient (abhängig von Energie und Material)
  • d = Materialdicke

Halbwertschicht (HVL): Dicke, bei der Intensität auf 50 % sinkt: HVL = ln(2)/µ

Beispiel: Co-60, Stahl: HVL ≈ 20 mm → 100 mm Stahl schwächt auf (0,5)⁵ ≈ 3 % der Eingangsintensität.

Strahlenschutz — ALARA-Prinzip

  • Abstand: Intensität nimmt mit 1/r² ab (Abstandsquadratgesetz)
  • Abschirmung: Blei, Stahl, Beton absorbieren ionisierende Strahlung
  • Zeit: minimale Expositionsdauer
  • ALARA: As Low As Reasonably Achievable
  • Grenzwerte: 20 mSv/Jahr für beruflich exponierte Personen (Strahlenschutzverordnung)
Sources & Further Reading