Radiometrie

Radiometrie ist die Wissenschaft und Technik der Messung von Strahlung. Dazu zählen die elektromagnetische Strahlung, insbesondere die optische Strahlung.^[1] Die optische Radiometrie erweitert die Photometrie in die Messbereiche des Infraroten und Ultravioletten. Außerdem versteht man historisch unter Radiometrie auch die Messung der ionisierenden Strahlung (α, β und γ). Letzteres Fachgebiet ist auch bekannt als Kernstrahlungsmessung bzw. Messung radioaktiver Strahlung.

Allgemein wird Strahlung von einer Strahlungsquelle erzeugt bzw. geht von dieser aus.

Die Anwendungen der Radiometrie finden sich in vielen wissenschaftlichen Bereichen wie der Physik, Astronomie, Geophysik und Radiogeologie.^[2] Das technische Fachgebiet ist die Messtechnik.

Definition und Abgrenzung

Heutzutage versteht man unter Radiometrie meist die Messung optischer oder nichtionisierender Strahlung.^[3][4] Im Zusammenhang mit der Radioaktivität spricht man ebenfalls von der Radiometrie und meint die Messung von Kernstrahlung oder Kernstrahlungsmessung.

Es existieren viele weitere Spezialgebiete, z. B. die Mikrowellenradiometrie^[5], Giga- oder Terahertzradiometrie, Schwarzer Strahler-Radiometrie usw. Radiometrie ist nicht mit Radiologie oder Radiographie zu verwechseln.

Photometrie

→ Hauptartikel: Photometrie

Die Radiometrie ist mit der Photometrie („Messung des sichtbaren Lichts“) verwandt und stellt die Erweiterung in die Messbereiche des Infraroten und Ultravioletten dar.^[6] Im Gegensatz zur Photometrie, die optische Größen behandelt, die sich an der Empfindlichkeit des menschlichen Auges orientieren, zielt die Radiometrie auf die Messung der Leistung (Energie pro Zeitspanne), die eine Lichtquelle abgibt oder auf eine gegebene Oberfläche trifft. Dementsprechend basieren die Einheiten sämtlicher elektromagnetischer radiometrischer Größen auf der Einheit Watt (W). Radiometrie misst die Intensität von Strahlung, während die Spektroskopie die spektrale Verteilung von Strahlung analysiert.

Strahlungsmesstechnik (Optik)

Grundlagen

Die quantitative Messung von Strahlungsintensitäten erfolgt mit verschiedenen Arten von speziellen Detektoren. Sie wandeln einen Teil der Strahlung in Wärme oder ein elektrisches Signal um, woraus unter anderem auf die Art der strahlenden Oberfläche und ihre Temperatur geschlossen werden kann. Als Vergleich dient oft der theoretisch ideale „schwarze Strahler“ und die für diesen geltenden Strahlungsgesetze.

Radiometrische Größen

Um die Eigenschaften von Strahlungsquelle, Empfänger und bestrahltem Material beschreiben zu können, hat man radiometrische Größen definiert. Ihnen entsprechen für sichtbares Licht jeweils photometrische Größen, die die spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges berücksichtigen.

radiometrische Größe	Symbol a)	SI-Einheit	Beschreibung	photometrische Entsprechung b)	Symbol	SI-Einheit
Strahlungs­fluss Strahlungs­leistung, radiant flux, radiant power	${\displaystyle \Phi _{\mathrm {e} }}$	W (Watt)	Strahlungsenergie durch Zeit	Lichtstrom luminous flux	${\displaystyle \Phi _{\mathrm {v} }}$	lm (Lumen)
Strahl­stärke Strahlungs­stärke, radiant intensity	${\displaystyle I_{\mathrm {e} }}$	W/sr	Strahlungsfluss durch Raumwinkel	Lichtstärke luminous intensity	${\displaystyle I_{\mathrm {v} }}$	cd = lm/sr (Candela)
Bestrahlungs­stärke irradiance	${\displaystyle E_{\mathrm {e} }}$	W/m2	Strahlungsfluss durch Empfänger­fläche	Beleuchtungs­stärke illuminance	${\displaystyle E_{\mathrm {v} }}$	lx = lm/m2 (Lux)
Spezifische Ausstrahlung Ausstrahlungs­strom­dichte, radiant exitance	${\displaystyle M_{\mathrm {e} }}$	W/m2	Strahlungsfluss durch Sender­fläche	Spezifische Lichtausstrahlung luminous exitance	${\displaystyle M_{\mathrm {v} }}$	lm/m2
Strahldichte Strahlungsdichte, Radianz, radiance	${\displaystyle L_{\mathrm {e} }}$	W/(m2sr)	Strahlstärke durch effektive Senderfläche	Leuchtdichte luminance	${\displaystyle L_{\mathrm {v} }}$	cd/m2
Strahlungs­energie Strahlungsmenge, radiant energy	${\displaystyle Q_{\mathrm {e} }}$	J (Joule)	durch Strahlung übertragene Energie	Lichtmenge luminous energy	${\displaystyle Q_{\mathrm {v} }}$	lm·s
Bestrahlung Einstrahlung, radiant exposure	${\displaystyle H_{\mathrm {e} }}$	J/m2	Strahlungsenergie durch Empfänger­fläche	Belichtung luminous exposure	${\displaystyle H_{\mathrm {v} }}$	lx·s
Strahlungs­ausbeute radiant efficiency	${\displaystyle \eta _{\mathrm {e} }}$	1	Strahlungsfluss durch auf­ge­nom­mene (meist elek­trische) Leistung	Lichtausbeute (overall) luminous efficacy	${\displaystyle \eta _{\mathrm {v} }}$	lm/W

^a) 

Der Index „e“ dient zur Abgrenzung von den photo­metrischen Größen. Er kann weggelassen werden.

^b) 

Die photometrischen Größen sind die radiometrischen Größen, gewichtet mit dem photo­metrischen Strahlungs­äquivalent K, das die Empfindlich­keit des menschlichen Auges angibt.

Optische Strahlungsdekektoren

Von den oben genannten optischen Größen werden hauptsächlich Strahlungsfluss, Bestrahlungsstärke und Strahldichte gemessen. Detektoren zur physikalischen Messung der Bestrahlungsstärke heißen generell Radiometer. Ein optischer Radiometer besteht aus der Eingangsoptik (beziehungsweise der Messöffnung/Antenne), dem spektralen Filter, dem eigentlichen Sensor, der zugehörigen Elektronik und dem Anzeigegerät beziehungsweise Display.

Eine Vielzahl von Strahlungsdetektoren existieren zur Messung elektromagnetischer Strahlung im Rahmen der optischen Radiometrie.

Strahlungsmesstechnik (Kerntechnik)

Die Messung radioaktiver Strahlung ist eine Fachdisziplin der Ingenieurwissenschaften bzw. der Kerntechnik. Informationen zu Messgeräten für radioaktive Strahlung (auch bekannt als Radiometer) siehe dort und die Literaturangaben zur Kernstrahlungsmesstechnik weiter unten.

Typische Geräte sind z. B. Dosimeter, Geigerzähler, Ionisationskammern, Szintillatoren bzw. Szintillationszähler (vgl. auch Photovervielfacher), Halbleiterdetektoren (z. B. Ge-Detektoren, Si-PIN-Dioden^[7], Si(Li)-Detektor) oder Siliziumdriftdetektor. Siehe auch die Messgeräte, -verfahren und Spektrometer, welche in der Radiochemie Verwendung finden.

Gamma-Radiometrie

→ Hauptartikel: Radiometrische Datierung und Gammaspektroskopie

Die Gamma-Radiometrie oder genauer die Radiometrische Datierung von Gammastrahlung ist in der Geophysik und anderen Geowissenschaften eine wichtige Methode zur Bestimmung von Gesteinen und ihrem Stoffgehalt. Grundlage ist die Radioaktivität der in ihnen enthaltenen Nuklide, also ihre spontane Umwandlung in andere chemische Elemente. Die bei Zerfallsprozessen entstehende hochenergetische Gamma-Strahlung hat für jedes Nuklid eine typische Energieverteilung, das sog. Gammaspektrum. Die quantitative Analyse der natürlichen Isotope (vor allem Uran, Thorium, Kalium-40 und Kohlenstoff-14) erlaubt eine Charakterisierung der Gesteine.

Mit der Gammaspektroskopie kann man dagegen die Zusammensetzung von Proben analysieren.

Siehe auch

• Farbmessung
• ISO 80000-7
• Strahlenschutz

Literatur

Siehe auch: Messtechnik, Technische Optik und Strahlung

Kernstrahlungsmesstechnik

• Instrumentelle Hilfsmittel der Kernphysik 2/XLV. In: S. Flügge, E. Creutz (Hrsg.): Handbuch der Physik (= Handbuch der Physik. Band XLV). Springer, Berlin 1958 (englisch, archive.org).
• W. I. Baranow: Radiometrie. Teubner, Leipzig 1959.
• Hans Hart: Radioaktive Isotope in der Betriebsmesstechnik. 2. Auflage. VEB Verlag Technik, Berlin 1962.
• V. Kment, A. Kuhn: Technik des Messens radioaktiver Strahlung (= Technisch-Physikalische Monographien. Band 11). Akademische Verlagsgesellschaft, Berlin 1963.
• Ralph E. Lapp, Howard L. Andrews: Nuclear Radiation Physics (= Prentice-Hall Physics Series). 3rd Auflage. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ 1963 (englisch, archive.org).
• Knut Bächmann: Messung radioaktiver Nuklide (= Kernchemie in Einzeldarstellungen. Band 2). Verlag Chemie, Weinheim 1970.
• Harald Büker: Theorie und Praxis der Halbleiterdetektoren für Kernstrahlung. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1971, ISBN 978-3-642-80614-8, doi:10.1007/978-3-642-80613-1.
• Konrad Kleinknecht: Detektoren für Teilchenstrahlung (= Teubner Studienbücher Physik). Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2005, ISBN 978-3-8351-0058-9, doi:10.1007/978-3-322-82205-5.
• Gerhard Lutz: Semiconductor Radiation Detectors. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-540-71678-5, doi:10.1007/978-3-540-71679-2 (englisch).
• Glenn F. Knoll: Radiation Detection and Measurement. 4. Auflage. John Wiley, Hoboken, NJ 2010, ISBN 978-0-470-13148-0 (archive.org).
• Hanno Krieger: Strahlungsmessung und Dosimetrie. Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2011, ISBN 978-3-8348-1546-0, doi:10.1007/978-3-8348-8128-1.

Optische Radiometrie

• Allen Stimson: Photometry and Radiometry for Fngineers. John Wiley & Sons, New York 1974, ISBN 978-0-471-82531-9 (englisch, archive.org).
• Franc Grum, Richard J. Becherer: Radiometry (= Optical Radiation Measurements. Band 1). Academic Press, New York 1979, ISBN 978-0-12-304901-8 (englisch, archive.org).
• Robert W. Boyd: Radiometry and the Detection of Optical Radiation (= Wiley Series in Pure and Applied Optics). John Wiley & Sons, New York 1983, ISBN 978-0-471-86188-1 (englisch, archive.org).
• James M. Palmer, Barbara G. Grant: The Art of Radiometry. SPIE, 2009, ISBN 978-0-8194-7245-8, doi:10.1117/3.798237 (englisch).
• Michael Bass, Optical Society of America (Hrsg.): Handbook of Optics. 3. Auflage. v. 5. McGraw-Hill, New York 2010, ISBN 978-0-07-170160-0 (englisch, mheducation.com – Volume II covers design, fabrications, testing, sources, detectors, radiometry, and photometry.).
• Willam Ross McCluney: Introduction to Radiometry and Photometry (= Artech House Applied Photonics Series). 2nd Auflage. Artech House, Boston 2014, ISBN 978-1-60807-833-2 (englisch, artechhouse.com).

Weblinks

Commons: Radiometry – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien