Gemeinsame Erkenntnisse
Auf dieser Seite sind die wichtigsten Erfahrungen stichpunktartig aufgelistet, die in den beschriebenen Zeiträumen
- mit der in Bremen (1981-1986) aufgebauten und erprobten, sowie
- mit den in Garching (1980-1993) konzipierten und hergestellten, und nachfolgend
- in der Arbeitsgemeinschaft Umgebungsüberwachung (bis heute) betriebenen und kontinuierlich weiterentwickelten
Die leitende Fragestellung für den hier versuchten Extrakt aus rund 40 Jahren Umgebungsüberwachung ist die nach der optimalen Auslegung eines sinnvollen, bezahlbaren und trotzdem hochempfindlichen Messsystems.
Da die Kriterien hierfür sich z.T. gegenseitig widersprechen, liegt es in der Natur der Sache, dass eine perfekt logische und stringente Auflistung nicht möglich ist; trotzdem soll eine solche Darstellung zumindest angestrebt werden.
Für Messanlagen, die lediglich für die Feststellung einer globalen Katastrophe gedacht sind, gelten die hier gemachten Aussagen ggf. in sinnvoll modifizierter Form.
Auf dieser Seite: Anfang - 1. Zuverlässigkeit - 2. Messzeitraster - 3. Strahlungsdetektoren - 4. Umweltgrößen - 5. Datenausgabe - 6. Auswertung
1. Zuverlässigkeit
- Eine hohe Betriebszuverlässigkeit der Messanlage hat allerhöchste Priorität! Es gibt nichts, was angesichts der erheblichen, für den Betrieb des Messsystems geleisteten Arbeit bei der späteren Betrachtung und Auswertung der Messdaten so frustrierend wirkt, wie das Fehlen von Daten innerhalb der Zeitreihe!
- Die Messanlage muss klar und übersichtlich und "narrensicher" zu bedienen sein. Am besten ist es, wenn sie automatisch funktioniert, und dies auch trotz moderater Fehlbedienung durch den Benutzer
- Die Messanlage muss unbedingt nach Stromausfall selbsttätig wieder anlaufen
- Die Messanlage muss sich bei Prozessorabsturz (aus welchem Grund auch immer) selbsttätig zurücksetzen und wieder anlaufen (aktivierte Hardware-Watchdog-Funktion)
- Nach Möglichkeit sollte die Messanlage gegen Stromausfall gepuffert sein, und (mit eigener Notstromversorgung) weiterlaufen, denn gerade im Fall einer nahegelegenen Reaktorkatastrophe - also wenn der Erhalt von Messdaten höchst erwünscht ist - wird die öffentliche Stromversorgung mit einiger Sicherheit zusammenbrechen
- Messanlagen sollten zum Nutzen und zur Motivation der Gastfamilie übersichtliche und anschauliche Datenansichten ermöglichen. Dies kann realisiert sein
- entweder offline mit Bildschirm und Bedienungsmöglichkeit vor Ort an der Messanlage selbst
- oder online durch Zugriff von einem PC der Gastfamilie über das Internet auf einen messdatenverarbeitenden Server, auf den die Messanlage ihre Daten regelmäßig hochlädt
- Ausfälle im Messbetrieb - so unerwünscht sie sind - kommen auch trotz perfektester Technik gelegentlich vor. Das Gesamtsystem ist so zu konzipieren, dass
- bei Ausfall einer zur Datenablieferung benutzten Internet-Verbindung alle Daten lokal gespeichert bleiben, und nach Wiederkehr alle noch nicht gesendeten Daten automatisch nachgeliefert werden
- Auswertungen mit dem restlichen, vorhandenen Datenbestand uneingeschränkt möglich bleiben, auch wenn Messdaten z.T. fehlen.
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2. Messzeitraster
Sinn und Zweck
- Im Internet wird heute eine Vielzahl von geografischen Karten, erweitert nur um momentane Messwerte der Umgebungsstrahlung, angeboten - manchmal in einer Dosisleistungseinheit, manchmal sogar nur als eine Zahl von Impulsen je Minute (Counts Per Minute = CPM) eines nicht weiter charakterisierten Detektors! Man schaue es sich selber an: derartige (wegen der unterlegten Karte) hübsch bunte Darstellungen sind außerordentlich frustrierend (!), denn die Aussagekraft solcher Einzelangaben je Messstandort geht für einen Betrachter mangels einer Vergleichs- und Bewertungsmöglichkeit gegen Null. Um den Betrachter überhaupt in die Lage zu versetzen, einen eigenen Eindruck zu bekommen, muss immer die Möglichkeit gegeben werden, einen Grundpegel, ein "Normalverhalten" vieler Messwerte erkennen zu können. Messwerte sollten daher immer mit einer Vielzahl anderer Messwerte in einer Zeitreihe verglichen werden können.
- Auch falls überhaupt eine spätere Datenauswertung ernsthaft in Erwägung gezogen wird, sind die Messdaten dauerhaft in einem feststehenden, äquidistanten Messzeitraster aufzuzeichnen! Dies ist wichtig
- für die Anfertigung von Zeitreihendarstellungen incl. Berechnungen bzw. Modellierungen an ihnen
- als Grundlage für Korrelations- und Histogramm-Analysen, und ggf. auch Spektralanalysen
Konstanz
- Messzeitraster sollen dauerhaft konstant sein, und niemals umgeschaltet werden (wie dies z.B. bei besonderen Ereignissen denkbar wäre). Auswertungen von Messgrößen mit wechselnden Messzeitrastern, z.B. von 60 Minuten (Normalmessbetrieb) und 10 Minuten (intensivierter Messbetrieb wegen evtl. Ereignisse) sind schwierig, z.B. wegen der dann in der Zeitreihendarstellung unterschiedlich in Erscheinung tretenden statistischen Streuungen. Auch Korrelations-, Histogramm- und Spektralanalysen sind nur mit konstantem Messzeitraster sinnvoll möglich.
Synchronisation
- Das Messzeitraster soll unter allen Umständen starr synchron zur offiziellen Kalender-Uhrzeit (Uhrzeit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB) sein, damit die Messdaten mehrerer Stationen später problemlos gemeinsam im gleichen Zeitraster dargestellt werden können. Dies erfordert für jede Messstation
- die regelmäßige Synchronisierung der internen Echtzeituhr (Real Time Clock = RTC) der Messanlage mit Hilfe einer funkgesteuerten Uhr (DCF77-Funkuhr), oder durch Abfrage von NTP-Servern aus dem Internet (NTP = Network Time Protocol)
- bei Ausfall der Synchronisierung die langfristig hochstabile Fortsetzung des Messtaktes, d.h. es muss die RTC nicht nur mit den externen Signalen absolut nachgestellt werden, sondern es muss auch ihre Gangabweichung von der Messanlage selbst auf Null justiert werden.
- Die Systemuhr darf einer evtl. Uhren-Umstellung auf Sommerzeit nicht folgen, d.h. die Systemzeit soll immer auf die gleiche Zeitzone bezogen sein, z.B. auf die Mitteleuropäische Zeit (MEZ). Dies ist sinnvoll, weil
- mit jeder Umstellung Datenverluste verbunden wären
- bei der Auswertung (über Zeitumstellungsgrenzen hinweg) kompliziert zu behandelnde Sonderfälle auftreten würden
Länge
- Das Messzeitraster soll kurz sein, um die kurzeitigen Erhöhungen der Umgebungsstrahlung, ...
- wie sie durch den Messort überstreichende, in der Windrichtung schwankende, radioaktiv belastete Abluftfahnen entstehen können, noch in einem Messzeitintervall nachzuweisen
- wie sie durch Regenereignisse entstehen, noch an die erhobenen Messdaten numerisch anpassen (anfitten) zu können. Die (scheinbaren, angenäherten) Halbwertszeiten der Abklingkurven der mit dem Regen ausgewaschenen natürlichen Radionuklide liegen in der Größenordnung von ca. 40 Minuten. Die Abklingkurven müssen für die erfolgreiche Durchführung von Kurvenanpassungen noch in z.B. mindestens 20 Messpunkte aufgelöst sein
- wie sie durch kurzzeitige radioaktive Emissionen aus der überwachten Atomanlage entstehen können, noch in möglichst viele Messzeitintervalle aufzulösen. Eine Zählratenerhöhung nur während eines Messzeitintervalls ist bei weitem nicht so glaubwürdig wie eine Erhöhung während zweier aufeinanderfolgender Intervalle: im ersteren Fall könnte es sich auch leicht um einen technischen Artefakt handeln.
- Das Messzeitraster soll andererseits nicht beliebig kurz sein, damit die entstehende Datenflut nicht allzu große Ausmaße annimmt
- Das Messzeitintervall ist grundsätzlich so zu wählen, dass die intuitiv gebräuchlichen Zeitmaße (Stunde, Tag) in gerade, anschauliche Zahlen von Messzeitintervallen geteilt werden. Auch gebräuchliche Vielfache des grundlegenden Messzeitrasters sollen als "gerade" empfundene, intuitiv gebräuchliche Zeitmaße ergeben (wie z.B. zehn Minuten, Viertelstunden, halbe Stunden etc.).
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3. Strahlungsdetektoren
Ziel des auf diesen Seiten beschriebenen Messsystems ist die möglichst genaue Überwachung einer Atomanlage bzgl. der von ihr mit der Abluft abgegebenen radioaktiven Stoffe. Deren Strahlung macht sich in der Umgebung als Erhöhung der Umgebungsstrahlung (der sog. γ-Submersion) bemerkbar, die in einem Detektor als Erhöhung der Zählrate im Messzeitintervall in Erscheinung tritt. Es wird folglich ein empfindlicher Nachweis auch kleiner Zählratenerhöhungen angestrebt.
Ansprechvermögen
- Nur die γ-Strahlung ist zum Strahlungsnachweis geeignet. Der Strahlungssensor soll nur die Gamma-Strahlung messen (nicht auch Beta- oder sogar Alpha-Strahlung).
Beta-strahlungsempfindliche Messköpfe würden bei Umspülung durch eine lokale Beta-strahlende Luftwolke zwar eine plötzlich und sehr deutlich erhöhte Zählrate verursachen; diese wäre im Nachhinein jedoch nicht von einer großräumigeren, intensiven γ-Bestrahlung zu unterscheiden, so dass Rückschlüsse auf die Ursache der Intensitätserhöhung (und das Bestrahlungs- und ggf. Unfallszenario!) nicht mehr möglich sein würden. Die Verwendung ausschließlich Beta- (und nicht auch Gamma-)empfindlicher Sensoren verbietet sich dagegen wegen der damit auf wenige Meter um den Messkopf begrenzten Einflusszone der Strahlung (aufgrund der kleinen Reichweite der Betastrahlung).
Beta-strahlungsempfindliche Messköpfe neigen des weiteren im Langzeitbetrieb zur kontinuierlichen Zählratenerhöhung infolge Oberflächenverschmutzung: auf der strahlungsempfindlichen Oberfläche abgelagerte natürliche Radionuklide strahlen mit hoher Effizienz in das empfindliche Detektorvolumen ein (Betastrahlung ist Strahlung aus geladenen Teilchen - praktisch jedes geladene Teilchen löst bei Eintreten in den Detektor desssen Ansprechen aus). Der Strahlungs-Grundpegel steigt durch die wachsende Schmutzschicht kontinuierlich an und verkleinert die Nachweisempfindlichkeit für die nachzuweisenden kurzfristigen Zählratenerhöhungen. - Die statistische Signifikanz einer kleinen Erhöhung der Zählrate innerhalb der Messreihen soll so groß wie möglich sein. Daraus folgt direkt, dass das Ansprechvermögen des Strahlungsetektors (seine Ansprechempfindlichkeit) so hoch wie möglich sein soll. Die Umgebungsstrahlung soll also in möglichst hohe proportionale Zählraten umgesetzt werden. Dies erreicht man nur mit möglichst großvolumigen Detektoren, denn die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit für γ-Strahlung steigt direkt mit der empfindlichen Masse des Detektors.
- Die Impulssummen des Strahlungsdetektors im Messintervall bei normaler Umgebungsstrahlung sollen so hoch sein, dass das aus der Zeitreihe gewonnene Histogramm mit vernachlässigbarem Fehler bereits der Normalverteilung genügt (und nicht mehr nur der Poissonverteilung). Die Mindestimpulssumme im Messintervall liegt damit aus dieser Sicht bei ca. 100, besser bei 200.
- Die Impulssummen im Messzeitintervall sollen so hoch sein, dass systematisch (also durch erhöhte Strahlung) verursachte Zählratenerhöhungen von z.B. 5% im Messzeitintervall hochsignifikant (d.h. also mit Irrtumswahrscheinlichkeit p ≤ 5%) nachgewiesen werden können.
Aufstellung
- Der Strahlungsmesskopf muss der zu messenden Umgebungsstrahlung direkt, d.h. ohne nennenswerte Abschirmung, ausgesetzt sein. Andererseits ist unbedingt ein Sonnenstrahlungsschutz vorzusehen, denn eine übermäßige Aufheizung der Strahlungssensoren kann deren Lebensdauer drastisch verkürzen. Es empfiehlt sich eine Abschattung des Messkopfes mit einem dünnen Aluminiumblech (z.B. 0,5 mm bis 1 mm) im Abstand von 1 cm bis 2 cm, unter dem die Luft frei zirkulieren kann. Eine entsprechende Konstruktion aus wasserabweisend weiß lackiertem Sperrholz (die die Messkopfunterbringung z.B. gleichzeitig als Vogelhäuschen tarnt) ist ebenfalls gut geeignet.
- Niederschlag sollte vom Messkopf ferngehalten werden und direkt von der Abdeckung ablaufen. Sollte eine Dachkonstruktion aus Sperrholz verwendet werden, so muss die wasserabweisende Lackierung nach einigen Jahren erneuert werden. Wasser, das in (durch Verwitterung) offene Holzporen hineinläuft, lagert dort auch die aus der Atmosphäre ausgewaschenen radioaktiven Stoffe ab, was bei jedem Niederschlag zu sehr deutlich höheren Zählratenerhöhungen führt, als wenn das Regenwasser frei ablaufen könnte.
- Die Nähe zu natürlichen, konstant stärker strahlenden Materialien, wie z.B. roten Ziegeln, Bimssteinen, oder anderen ähnlich stark strahlenden Baumaterialien, ist zu vermeiden! Je höher der Strahlungsbeitrag aus solchen Quellen ist, desto größer sind die Nullrate des Strahlungssensors wie auch die relative statistische Streuung der Zählsummen von Messintervall zu Messintervall. In dieser größeren relativen statistischen Streuung gehen kleine, zu messende Strahlungserhöhungen eher unter als in einer kleineren relativen statistischen Streuung.
- Teilabschirmungen des Detektors, z.B. gegen Strahlung aus dem Erdboden, schirmen auch einen Teil der nachzuweisenden Strahlung ab. Diese denkbare Maßnahme ist also nicht geeignet, die statistische Signifikanz zu erhöhen - sie verkleinert sie sogar!
Aufzeichnung
- Die Umgebungsstrahlung soll in Form der Rohdaten (Zählimpulssummen im Messzeitintervall) aufgezeichnet, übermittelt, archiviert werden (d.h. noch nicht in nSv/h o.ä. umgerechnet), um mehrfache Rundungen mit ihren unvermeidlichen Fehlern zu vermeiden
- Das Ansprechvermögen (zur Umrechnung der gemessenen Impulszahl in die Dosisleistung) ist in irgendeiner geeigneten Form von Konfigurationsdatei elektronisch mitzuführen
- Auch die grundsätzliche, und ihre sonstige, Ausstattung der Messstation ist in irgendeiner Form von Konfigurationsdatei elektronisch mitzuführen.
- Die getrennte, zusätzliche Messung der kosmischen Höhenstrahlung ist weder erforderlich noch sinnvoll; ihr rechnerischer Abzug von der Gesamtstrahlung (und damit die Errechnung einer Nettodosis ohne den Anteil der kosmischen Höhenstrahlung) erhöht die relative statistische Streuung (durch die Gausssche Fehlerfortpflanzung) anstatt sie zu verkleinern!
Detektortypen
- Grundsätzlich kann man für die Umgebungsüberwachung auf γ-Strahlung die folgenden elektronischen Detektoren in Betracht ziehen:
- Festkörperdetektoren
- Halbleiterdetektoren
- Szintillationsdetektoren
- Gasgefüllte Detektoren
- Ionisationskammern
- Proportionaldetektoren
- Geiger-Müller-Zählrohre
- Festkörperdetektoren
- Halbleiterdetektoren
- sind grundsätzlich - in großvolumiger Ausführung - sehr teuer (-)
- besitzen - sofern bezahlbar - eine verschwindend kleine empfindliche Masse (-)
- besitzen damit auch eine sehr kleine Wechselwirkungswahrscheinlichkeit (-)
- besitzen folglich auch ein sehr kleines Ansprechvermögen (-)
- zeigen im Prinzip einen störenden Temperaturgang (-)
- Szintillationsdetektoren
- sind sehr sehr teuer (-)
- besitzen eine sehr hohe empfindliche Masse (+)
- besitzen damit auch eine sehr große Wechselwirkungswahrscheinlichkeit (+)
- besitzen folglich auch ein sehr hohes Ansprechvermögen (+)
- erfordern eine hochstabile, komplexe, teure Elektronik (-)
- zeigen im Außeneinsatz auch unter optimalen Umständen einen deutlichen Temperaturgang (-)
- Gasgefüllte Detektoren
- besitzen eine kleine empfindliche Masse (-)
- besitzen damit eine kleine Wechselwirkungswahrscheinlichkeit (nur ca. jedes hundertste den Detektor durchtretende γ-Quant wechselwirkt in ihm) (-)
- besitzen folglich auch ein kleines Ansprechvermögen (-)
- sind vergleichsweise preiswert, da sie im wesentlichen nur aus einer speziellen Gasmischung in einer gasdichten Umhüllung bestehen (+)
- sind in Form von Ionisationskammern zu unempfindlich (-)
- benötigen in der Form von Proportionaldetektoren eine teure, hochstabile Elektronik (-)
- benötigen in der Form von Geiger-Müller-Zählrohren keine besonders teure oder anspruchsvolle Elektronik, und geben große elektrische Impulse ab, die einfachst zu verarbeiten sind (+)
- sind in der Form von Geiger-Müller-Zählern bei richtiger Behandlung langzeit- und temperaturstabil (+)
- besitzen in der Form von Geiger-Müller-Zählern durch die Ausführung ihrer Zählrohrwand (Material, Dicke) eine physikalisch implementierte, unveränderbare untere Energieschwelle (+)
Demzufolge sind gasgefüllte Detektoren in der Form von Geiger-Müller-Zählern die erste Wahl (+),
jedoch sind innerhalb der Geiger-Müller-Zähler die Typen mit den größten Ansprechvermögen zu wählen (das sind i.d.R. leider auch die teuersten!)
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4. Umweltgrößen
Auswahl
- Wenn überhaupt eine spätere Datenauswertung ernsthaft in Erwägung gezogen wird, so sind hierzu mit aufzuzeichnende Hilfsgrößen unverzichtbar, insbesondere soweit sie zur Interpretation der Verläufe der Strahlenintensität erforderlich sind.
- Die Aufzeichnung der Regenmenge (NIE) ist an jedem einzelnen Messstandort unbedingt notwendig! Regenmengenmesser ...
- sollen die Regenmenge in kleinstmöglichen Mengen, d.h. in höchstmöglicher Auflösung quantitativ messen
- sollen wartungsarm sein
- sollen fern von Bäumen aufgestellt sein, um grobe Verschmutzungen zu vermeiden
- müssen in jedem Fall regelmäßig gereinigt werden (unabhängig vom Aufstellort)
- sollen folglich so montiert sein, dass sie leicht zu erreichen sind
- sollten durch wartungsfreie Sensoren überwacht werden, um eine höchstmögliche Zuverlässigkeit der späteren Rückschlüsse auf die vorherrschenden Wetterbedingungen zu ermöglichen
- Die Messung der Umgebungs-Lufttemperatur (TMP) ist an jedem Standort sehr sinnvoll ...
- zur Erkennung von Frost
- zur Kontrolle der sonstigen Messkanäle auf evtl. Temperaturgänge.
- Windgeschwindigkeit (WIG) und Windrichtung (WIR) sind globalere Größen, und werden nur einmal zu jeder überwachten Atomanlage benötigt. Wegen des zur Messung erforderlichen sehr hohen Aufwandes bietet sich heute auch die Übernahme von Fremddaten möglichst nahegelegener Messstationen (aus dem Internet) in das System an
- Die Messung des örtlichen Luftdrucks (LDR) einmal je überwachter Atomanlage ist sehr sinnvoll, da der Grundpegel der natürlichen Umgebungsstrahlung vom Luftdruck abhängt.
- Die Aufzeichnung der Regenmenge (NIE) ist an jedem einzelnen Messstandort unbedingt notwendig! Regenmengenmesser ...
Messweise
- Jeder Messwert soll hohe Aussagekraft (Repräsentativität) für das gesamte Messintervall besitzen. Deshalb sollen Messdaten vorzugsweise nicht durch eine Einzelabfrage im Messintervall, sondern im Idealfall kontinuierlich während des gesamten Messintervalls erhoben und über dessen Dauer gemittelt werden.
- Temperatur (TMP), Luftdruck (LDR):
Für die Umsetzung dieser Forderung in eine Schaltung in herkömmlicher analoger Messtechnik bedeutet dies, dass die Messgröße im Idealfall kontinuierlich in eine proportionale Frequenz umgesetzt werden sollte, die dann über die Dauer des Messintervalls ausgezählt wird. Um optimale Stabilität zu erreichen, können quarzstabilisierte, synchrone Messwert-/Frequenz-Umsetzer benutzt werden - Windrichtung (WIR):
Eine typische klassische Windfahne pendelt selbst in konstant erscheinendem Wind mit Frequenzen von einer oder mehreren Schwingungen je Sekunde hin und her. Die Aufnahme eines Momentanwertes aus diesen insgesamt chaotisch erscheinenden Pendelvorgängen ergäbe einen Zufallswert, der durchaus um mindestens ±30° von einem korrekt gemittelten Wert abweichen kann. Die Umsetzung der Forderung nach Repräsentativität lässt sich für digital abgetastete Momentanwerte nur durch häufig genommene Stichproben erreichen. Diese sind anschließend unter Berücksichtigung der Windgeschwindigkeit vektoriell zu mitteln.
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5. Datenausgabe
- In Zeiten des Internets müssen die Messanlagen
- ihre Messdaten sicher und dauerhaft lokal vor Ort elektronisch speichern
- ihre Messdaten regelmäßig selbsttätig abliefern (z.B. per FTP-Upload), wobei nicht erfolgreiche Übertragungsversuche automatisch so oft zu wiederholen sind, bis der Server den erfolgreichen Upload bestätigt hat
- bei besonderen Betriebszuständen, z.B.
- Neustart des Messprogramms
- Manueller Auslösung zu Testzwecken
- Zählratenerhöhung über die eingestellte obere Alarmschwelle
- Zählratenverkleinerung unter die eingestellte untere Alarmschwelle
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6. Auswertung
- Die anschauliche, übersichtliche und flexible Darstellung der Messdaten in Zeitreihendarstellung ist für die Auswertung essentiell. Die Flexibilität betrifft die weitestgehende Möglichkeit der freien Auswahl
- des darzustellenden Zeitraums und des Zeitmaßstabs, incl. der Möglichkeit, problemlos praktisch beliebige Zusammenfassungen (Summationen, Mittelungen) von Einzelmesswerten zu größeren Messzeitintervallen darzustellen
- der Achsensysteme, ihrer Lage, Größe, Ausrichtung, Skalierung, Darstellung
- der gemeinsamen Darstellung eigener sowie von anderen erhobenen Messdaten (wie sie z.B. heute von staatlichen Stellen erhoben und im Internet veröffentlicht werden), von allen gebräuchlichen Messgrößen, in ihren verschiedenen sinnvollen Einheiten, in mehreren Darstellungsarten, unter verschiedenen Darstellungsbedingungen.
- Die solcherart gut gestaltete Zeitreihendarstellung ist der Ausgangspunkt für die direkte Erkennung von besonderen Ereignissen, oder auch für weitere, speziellere Datenanalysen. Durch kontinuierliche Befassung mit den Daten der eigenen Messanlagen, wie auch mit denen anderer Gruppen, wie auch mit den radiologischen und sonstigen Grundlagen, haben sich die engagierten Aktiven in der Arbeitsgemeinschaft zu Fachleuten weitergebildet, die jederzeit zur Bewertung und Beurteilung ihrer Messdaten in der Lage sind.
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