Größen und Einheiten der Strahlenschutzmesstechnik

Dr. Hans-Jochen Foth

Fachbereich Physik

Technische Universität Kaiserslautern

Inhalt:

I SI-Einheiten

II Aktivität

III Strahlendosis

a) Energiedosis

b) Ionendosis

c) Äquivalentdosis

d) Ganzkörperdosis

e) Teilkörperdosis

f) effektive Folgedosis

I SI-Einheiten

Basisgröße Einheit Zeichen Definition

Länge Meter m c = 299 792 458 m/s (Lichtgeschwindigkeit)

Zeit Sekunde s 133Cs, Hfs-Übergang, = 9,192 631 77 GHz

Masse Kilogramm kg Kilogrammprototyp

elektrische Stromstärke

Ampere A L = , D = 1 m F = 2 10-7 N (Theorie)

von-Klitzing-Effekt (Praxis)

Thermodyn. Temperatur

Kelvin K absoluter Nullpunkt

Tripelpunkt von Wasser: 273,16 K

Stoffmenge Mol mol

Lichtstärke Candela cd

(Système International d'Unites)

II AktivitätDefinition: Die Aktivität A (oder Präparatstärke) einer radioaktiver

Substanz ist die Anzahl der Umwandlungen pro Zeitintervall

Ndt

dNA

= Zerfallskonstante

N = Anzahl der Atome

Einheit: 1 s-1 = 1 Bq (Becquerel)

Erinnerung: 1 Bq für statistische Vorgänge; 1 Hz für periodische Vorgänge

Bis 1985 gebräuchlich:

1 Curie (Ci) = 37 GBq = 3,7 1010 Zerfälle pro Sekunde

= Aktivität von 1 g Radium -226

Lebende Person: A = 7,5 kBq

Definition: Spezifische Aktivität a = A/mn

mn = Masse der radioaktiven Substanz

Mit M = Molmasse und NA = Avogadro-Konstante folgt

M

N

t

2ln

M

NN

M

m

mm

N

m

Aa A

21

AA

n

nnn

Berechnung der spezifischen Aktivität eines Isotopengemisches

mges = Gesamtmasse

Anzahl der aktiven Nukliden Naktiv sind mit dem Anreicherungsfaktor in der Gesamtzahl der Atome vorhanden.

gesm

A*a

M

N

t

2ln

M

N*a A

21

A

III Strahlendosis

Bei der Wechselwirkung von radioaktiver Strahlung mit Materie wird auf de Materie Energie übertragen, die dann stufenweise in andere Energieformen umgewandelt wird.

Meist entstehen geladene Teilchen mit hoher kinetischer Energie

Die kinetische Energie geht über in

Anregung von Atomen und Molekülen

Ionisierung

Chemische Prozess

Wärme

Bremsstrahlung

Man unterscheidet zwei Arten von ionisierender Strahlung:

Direkt ionisierende Strahlung:

geladene Teilchen:

Elektronen, Positronen, Protonen, -Teilchen, Ionen

unmittelbare Wechselwirkung kurze Reichweite

Indirekt ionisierende Strahlung:

ungeladene Teilchen:

Photonen, Neutronen

geringe Wechselwirkung lange Reichweite

Die Dosis beschreibt die Wirkung der ionisierenden Strahlung auf Materie

a) Energiedosis

dm

dWD

Definition: Die Energiedosis D gibt an, wieviel Energie dW aus der ionisierenden Strahlung von einem Massenelement dm der bestrahlten Materie absorbiert wird

Homogene Materie: m = dV. = Dichte, dV = Volumenelement

Einheit: 1 Gy ( = 1 Gray ) = 1 J/kg

Bis 1985: 1 rad (radiation absorbed dose) = 10-2 J/kg

Definition: Energiedosisleistungdt

dDD

Spezifische -Dosisleistungskonstante

Für die Dosisleistung einer punktförmigen -Strahlungsquelle der Aktivität gilt im Abstand r:

2r

AkD

Kerma K (Kinetic energy released in material)

Für indirekt ionisierende Strahlung

dEK = Summe der Anfangswerte von EKin aller geladener Teilchen

dm

dEK K

b) Ionendosis

Ldm

dQJ

Definition: Die Ionendosis J gibt an, wieviel elektrische Ladungen dQ (eines Vorzeichens) pro Masseneinheit dmL in Luft unter Normalbedingung durch die Strahlung erzeugt wird

Einheit: 1 C/kg = 1 As/kg

Bis 1985: 1 R (Röntgen) = 2,58 10-4 C/kg

Definition: Ionendosisleistungdt

dJJ

Zusammenhang zwischen Energiedosis D und Ionendosis J:

JUdme

dQED ion

ion

Eion = mittlerer Energieaufwand zur Erzeugung eines Elektron-Ion-Paares in Normal-Luft = 33,7 eV

Uion = mittlere Ionisationsspannung ( = 33,7 V)

Lineares Energieübertragungsvermögen (LET)

-Strahlung -Strahlung

Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung hängt nicht nur von der Energiedosis sondern auch von der mikroskopischen Verteilung der Dosis ab.

Das lineare Energieübertragungsvermögen gibt an, wie viel Energie von direkt ionisierender Strahlung lokal auf das Medium übertragen wird.

Die Definition lautet nach DIN 6814-2 (sinngemäß):

Der Lineare Energietransfer (LET) geladener Teilchen in einem Medium ist der mittlere Energieverlust dE auf den Weg ds, den das Teilchen durch Stöße erleidet, bei denen der Energieverlust kleiner als eine vorgegebene Energie ist:

ds

dELLET

Einheit: J/m, eV/m, eV/m, eV/µm L50 bedeutet: D = 50 eV

LET (L) in Wasser und Bewertungsfaktor q nach Anhang XIV Strahlenschutzverordnung

Strahlungsart L(keV/µm) q

Elektronen, Photonen < 3,5 1

, p, d, n

(je nach Energie)

3,5 - 7,0

7 - 23

23 - 53

53 - 175

1 - 2

2 - 5

5 - 10

10 - 20

c) Äquivalentdosis

Definition: Die Äquivalentdosis Dq ergibt sich aus Energiedosis D und dem Bewertungsfaktor (Qualitätsfaktor) q mittels

Dq = q D

Einheit: 1 Sv (Sievert) = 1 J/kg

Bis 1985: 1 rem (= 1 röntgen equivalent man) = 10-2 J/kg

Definition: Äquivalentdosisleistungdt

dDD qq

Letaldosis LD50/30:

Innerhalb von 30 Tagen sterben 50% der bestrahlten Lebewesen

Wärmekapazität von Wasser: c = 4,187 J K-1 g-1

Eine Energiezufuhr von 4,5 J/kg führt zu einer

Temperaturerhöhung von T = 1,07 10-3 K

Der Reparaturmechanismus

Einzelstrangbrüche nach -Bestrahlung sind nach 10 - 20 min repariert

Intakte Zellen können pro Minute ~ 300 Einzelstrangbrüche reparieren

Reparaturaktivität wird durch Strahlung () gesteigert

Fehlerrate: ~ 1 : 1011

Neues Konzept der Dosisgrößen im

Strahlenschutz Bei der biologischen Strahlenwirkung unterscheidet man

u.a. zwischen stochastischer und nichtstochastischer Strahlenwirkung:

• Stochastische Strahlenwirkungen sind solche, bei denen die Eintritts-wahrscheinlichkeit (nicht der Schweregrad) als Funktion der Dosis betrachtet wird; ein Schwellenwert existiert nicht

• Nichtstochastische Strahlenwirkung sind solche, bei denen der Schweregrad mit der Dosis variiert und für die ein Schwellenwert bestehen kann.

 

Zu den stochastischen Wirkungen in dem für den Strahlenschutz relevanten Dosisbereich zählt z.B. die genetische Wirkung, die mit der Krebsentstehung verbunden ist.

Nichtstochastische Strahlenwirkungen treten aufgrund der Maßnahmen des Strahlenschutzes kaum mehr auf. Ein Beispiel für nichtstochastische Wirkung ist die Trübung der Augenlinse. Das von der ICRP empfohlene System der Dosisgrenzwerte ist abgestellt auf ein Verhinderung der nichtstochastischen Effekte (wird durch Dosisgrenzwerte erreicht, die unterhalb der Schwellenwerte der Reaktionen liegen) und auf eine Begrenzung der Wahrscheinlichkeit der stochastischen Effekte auf ein annehmbares Maß.

Die neue Strahlenschutzverordnung unterscheidet bei den Dosisgrößen zwischen Körperdosen und Äquivalentdosen.

•Körperdosen (Organdosis, effektive Organdosis) sind Schützgrößen, für die z.B. personenbezogenen Jahresgrenzwerte festgelegt sind. Diese Dosen berechnen sich aus der Energiedosis mit Hilfe des Strahlungs-Wichtungsfaktors wR.

•Äquivalentdosen sind Messgrößen (operative Größen) in der Orts- und Personendosimetrie. Sie werden aus der Energiedosis mit Hilfe des Qualitätsfaktors Q berechnet.

Schadenserwartung und Strahlenrisiko für stochastische Wirkung

Die Schadenerwartung G bei der Strahlenexposition einer Gruppe von N Personen schreibt sich als:

Hierbei bedeuten:• gT einen Wichtungsfaktor, der den Schweregrad der Strahlenwirkung

im Organ T berücksichtigt: gT = 0 bedeutet „harmlos“ und gT = 1 „höchste Gefährlichkeit“. Da es hier um Schutzmaßnahmen geht, wird für stochastische Strahlenwirkungen pessimistisch gT = 1 angenommen.

• pT die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer bestimmten nachteiligen Strahlenwirkung an dem Organ oder Gewebe T. Bezogen auf eine Einzelperson ist pT das Strahlenrisiko der Person für die betreffende Wirkung.

TT

T pgNG

Risikogewebe sind diejenigen Organe oder Gewebe, deren Strahlenrisiken für die Begrenzung der Strahlenexposition von innen oder außen in Betracht gezogen werden müssen.

 

Als Risikokoeffizient (oder Risikofaktor) rT für die Krebserkrankung

eines Organs oder Gewebes T bezeichnet man den Quotienten aus Strahlenrisiko pT durch die Äquivalentdosis HT

rT = pT/HT

Mit wird das stochastische Gesamtrisiko berechnet. Der Wichtungsfaktor wT der einzelnen Organe oder Gewebe ergibt sich

dann zu wT = rT/R. Um die Wahrscheinlichkeit abzuschätzen, dass die Bestrahlung eines Organs T mit einer niedrigen Dosis HT Todesursache wird, gibt die

Internationale Strahlenschutzkommission (ICRP) Risiko-Koeffizienten rT (in

10-4 pro Sievert) an, mit denen die Äquivalent-Dosis zu multiplizieren ist.

Gewebe oder Organ rT (ICRP 1977) rT (ICRP 1991) wT

Keimdrüsen (Eierstöcke)

- 10 0,20

Knochenmark (rot) 20 50 0,12

Dickdarm - 85 0,12

Lungen 20 85 0,12

Magen - 110 0,12

Blase - 30 0,05

Brust 25 20 0,05

Leber - 15 0,05

Speiseröhre - 30 0,05

Schilddrüse 5 8 0,05

Haut - 2 0,01

Knochenoberfläche 5 5 0,01

übrige Organe 50 50 0,05

Summe 125 500 1,00

Körperdosis

Die Ganzkörperdosis HG ist der Mittelwert der Äquivalentdosis über Kopf,

Rumpf, Oberarme und Oberschenkel bei einer als homogen angesehenen Strahlenexposition des Körpers.

Die Teilkörperdosis HT ist der Mittelwert der Äquivalentdosis in einem

Körperteil, in einem Organ oder Teil eines Organs, im Fall der Haut der über die bestrahlte Fläche gebildete Mittelwert.

Die effektive Folgedosis E ist die gewichtete Summe aller Teilkörperdosen HT, sie wird häufig auch nur effektive Dosis oder

effektive Strahlendosis genannt.

TT

T HwE

Operative Größen für die Dosis-Messung

Die oben eingeführte effektive Folgedosis ist eine Körperdosis und somit nicht direkt messbar. Da sie aber zur Festlegung der gesetzlichen Dosisgrenzwerte dient, müssen stellvertretende einfache Messgrößen definiert werden, die sich dazu eignen

a) die Einhaltung der Dosisgrenzwerte anzuzeigen und

b) bei Bedarf einen Schätzwert der effektiven Äquivalentdosis zu gewinnen.

 

Als ein vereinfachtes Phantom zur Gewinnung von Schätzwerten der in einem Körper erzeugten Dosen wurde die ICRU-Kugel gewählt. Sie ist eine Kugel von 30 cm Durchmesser aus weichgewebsäquivalentem Material der Dichte 1 g/cm3 und einer Massenzusammensetzung aus 76,2 % Sauerstoff, 11,1 % Kohlenstoff, 10,1 % Wasserstoff und rund 2,6 % Stickstoff.

Im Hinblick auf die unterschiedlichen Dosiswerte für die Haut und die tieferliegenden Organe wird unterschieden zwischen

•durchdringender Strahlung, bei der die von einer kleinen Fläche der Keimschicht der Haut (vereinbarte Tiefe 0,07 mm) erhaltene Äquivalentdosis weniger als das Zehnfache der effektiven Äquivalentdosis beträgt

und

•Strahlung von geringer Eindringtiefe, wenn diese Hautdosis mehr als das Zehnfache der effektiven Äquivalentdosis beträgt.

Die neuen Messgrößen H’ und H* sind auf die ICRU-Kugel bezogenen Äquivalent-Messgrößen, die keine Beschränkung auf bestimmte Energiebereich enthalten. Sie sind auf beliebige Kombinationen gleichzeitig auftretender Strahlungsarten anwendbar. Die Festlegung bestimmter Bezugstiefen (10 mm und 0,07 mm) gibt den Dosiswerten die Bedeutung von Schätzwerten der effektiven Äquivalentdosis und der Teilkörperdosen tiefliegender Organe und Gewebe.

•Die Richtungs-Äquivalentdosis H’(d) am interessierenden Punkt im tatsächlichen Strahlungsfeld ist die Äquivalentdosis, die in dem entsprechenden aufgeweiteten Strahlungsfeld auf einen festgelegten Radius der ICRU-Kugel in der Tiefe d der ICRU-Kugel erzeugt würde.

 

•Die Umgebungs-Äquivalentdosis H*(d) am interessierenden Punkt im tatsächlichen Strahlungsfeld ist die Äquivalentdosis, die in dem entsprechenden ausgerichteten und aufgeweiteten Strahlungsfeld in der Tiefe d der ICRU-Kugel erzeugt würde.

Mit Hilfe der neuen Größen H’(d) und H*(d) werden die Begriffe Orts- und Personendosen präzisiert:

Als Ortsdosis gilt bei durchdringender Strahlung die Umgebungs-Äquivalentdosis H*(10), bei Strahlung geringer Eindringtiefe die Richtungs-Äquivalentdosis H’(0,07).

 

Als Personendosis HP gilt der Messwert eines Personendosimeters,

das auf der Oberfläche eines geeigneten Phantoms bei durchdringender Strahlung zur Messung der Richtungs-Äquivalentdosis H’(10), bei Strahlung geringer Eindringtiefe zur Messung der Richtungs-Äquivalentdosis H’(0,07) kalibriert wurde.

Durch diese Definition wird erreicht, dass der Messwert des Personendosimeters die Äquivalentdosis näherungsweise angibt, die im Körper des Trägers in den Tiefen d = 10 mm bzw. d = 0,07 mm unter der Tragestelle an der Körperoberfläche erzeugt wird. Falls gleichzeitig durchdringende Strahlung und Strahlung geringer Eindringtiefe in Betracht kommen, besteht die Angabe der Personendosis aus dem Wertepaar H’(10) und H’(0,07); anderenfalls ist nur einer der beiden Werte anzugeben.

Zeichen Einheit SI Einheit (Umrechnung) alt

Ionendosis J As/kg R (1 R = 2,58 104 As/kg)

Energiedosis D Gy rd (1 Gy = 100 rd)

Äquivalentdosis H Sv rem (1 Sv = 100 rem)

effektive Strahlendosis E Sv rem (1 Sv = 100 rem)

Ionendosisleistung A/kg

Energiedosisleistung Watt/kg

Äquivalentdosisleistung Sv/s

effektive Strahlendosisleistung

Sv/s

J

H

Zusammenfassung

E

D