Größen und Einheiten der Strahlenschutzmesstechnik. Dr. Hans-Jochen Foth Fachbereich Physik Technische Universität Kaiserslautern

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1 Größen und Einheiten der Strahlenschutzmesstechnik Dr. Hans-Jochen Foth Fachbereich Physik Technische Universität Kaiserslautern

2 Inhalt: I II III SI-Einheiten Aktivität Strahlendosis a) Energiedosis b) Ionendosis c) Äquivalentdosis d) Ganzkörperdosis e) Teilkörperdosis f) effektive Folgedosis

3 I SI-Einheiten (Système International d'unites) Basisgröße Einheit Zeichen Definition Länge Meter m c m/s (Lichtgeschwindigkeit) Zeit Sekunde s 133 Cs, Hfs-Übergang, Δν 9, GHz Masse Kilogramm kg Kilogrammprototyp elektrische Stromstärke Thermodyn. Temperatur Ampere A L, D 1 m > F N (Theorie) von-klitzing-effekt (Praxis) Kelvin K absoluter Nullpunkt Tripelpunkt von Wasser: 273,16 K Stoffmenge Mol mol Lichtstärke Candela cd

4 II Aktivität Definition: Die Aktivität A (oder Präparatstärke) einer radioaktiver Substanz ist die Anzahl der Umwandlungen pro Zeitintervall A dn dt λ N λ 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, Zerfälle pro Sekunde Aktivität von 1 g Radium -226 Lebende Person: A 7,5 kbq

5 Definition: Spezifische Aktivität a A/m n m n Masse der radioaktiven Substanz Mit M Molmasse und N A Avogadro-Konstante folgt M N t ln 2 M N N M m m m N m A a A 2 1 A A n n n n λ λ λ

6 Berechnung der spezifischen Aktivität eines Isotopengemisches a * A m ges m ges Gesamtmasse Anzahl der aktiven Nukliden N aktiv sind mit dem Anreicherungsfaktor α in der Gesamtzahl der Atome vorhanden. a * α λ N M A α ln 2 t 1 2 N M A

7 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

8 Man unterscheidet zwei Arten von ionisierender Strahlung: Direkt ionisierende Strahlung: geladene Teilchen: Elektronen, Positronen, Protonen, α-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

9 a) Energiedosis Definition: Die Energiedosis D gibt an, wieviel Energie dw aus der ionisierenden Strahlung von einem Massenelement dm der bestrahlten Materie absorbiert wird D dw dm Homogene Materie: m ρ dv. ρ Dichte, dv Volumenelement Einheit: Bis 1985: 1 Gy ( 1 Gray ) 1 J/kg 1 rad (radiation absorbed dose) 10-2 J/kg Definition: Energiedosisleistung D & dd dt

10 Spezifische γ-dosisleistungskonstante Für die Dosisleistung einer punktförmigen γ-strahlungsquelle der Aktivität gilt im Abstand r: D& k A 2 r Kerma K (Kinetic energy released in material) dek Für indirekt ionisierende Strahlung K dm de K Summe der Anfangswerte von E Kin aller geladener Teilchen

11 b) Ionendosis Definition: Einheit: Bis 1985: Definition: Die Ionendosis J gibt an, wieviel elektrische Ladungen dq (eines Vorzeichens) pro Masseneinheit dm L in Luft unter Normalbedingung durch die Strahlung erzeugt wird dq J dm L 1 C/kg 1 As/kg 1 R (Röntgen) 2, C/kg Ionendosisleistung J & Zusammenhang zwischen Energiedosis D und Ionendosis J: E ion D Eion dq e dm mittlerer Energieaufwand zur Erzeugung eines Elektron-Ion-Paares in Normal-Luft 33,7 ev U dj dt U ion mittlere Ionisationsspannung ( 33,7 V) ion J

12 Lineares Energieübertragungsvermögen (LET) γ-strahlung α-strahlung

13 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 (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 Δ ist: LET L Δ de ds Δ Einheit: J/m, ev/m, ev/m, ev/µm L 50 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 α, p, d, n (je nach Energie) 3,5-7,

14 c) Äquivalentdosis Definition: und Einheit: Bis 1985: Die Äquivalentdosis D q ergibt sich aus Energiedosis D dem Bewertungsfaktor (Qualitätsfaktor) q mittels D q q D 1 Sv (Sievert) 1 J/kg 1 rem ( 1 röntgen equivalent man) 10-2 J/kg Definition: Äquivalentdosisleistung D& q dd dt q

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16 Letaldosis LD 50/30 : 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 ΔT 1, K

17 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 Eintrittswahrscheinlichkeit (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.

18 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.

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

20 Schadenserwartung und Strahlenrisiko für stochastische Wirkung Die Schadenerwartung G bei der Strahlenexposition einer Gruppe von N Personen schreibt sich als: G N T g T p Hierbei bedeuten: g T einen Wichtungsfaktor, der den Schweregrad der Strahlenwirkung im Organ T berücksichtigt: g T 0 bedeutet harmlos und g T 1 höchste Gefährlichkeit. Da es hier um Schutzmaßnahmen geht, wird für stochastische Strahlenwirkungen pessimistisch g T 1 angenommen. p T die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer bestimmten nachteiligen Strahlenwirkung an dem Organ oder Gewebe T. Bezogen auf eine Einzelperson ist p T das Strahlenrisiko der Person für die betreffende Wirkung. T

21 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) r T für die Krebserkrankung eines Organs oder Gewebes T bezeichnet man den Quotienten aus Strahlenrisiko p T durch die Äquivalentdosis H T R r T p T /H T Mit wird das stochastische Gesamtrisiko berechnet. T r T Der Wichtungsfaktor w T der einzelnen Organe oder Gewebe ergibt sich dann zu w T r T /R. Um die Wahrscheinlichkeit abzuschätzen, dass die Bestrahlung eines Organs T mit einer niedrigen Dosis H T Todesursache wird, gibt die Internationale Strahlenschutzkommission (ICRP) Risiko-Koeffizienten r T (in 10-4 pro Sievert) an, mit denen die Äquivalent-Dosis zu multiplizieren ist.

22 Gewebe oder Organ r T (ICRP 1977) r T (ICRP 1991) w T Keimdrüsen ,20 (Eierstöcke) Knochenmark (rot) ,12 Dickdarm ,12 Lungen ,12 Magen ,12 Blase ,05 Brust ,05 Leber ,05 Speiseröhre ,05 Schilddrüse 5 8 0,05 Haut - 2 0,01 Knochenoberfläche 5 5 0,01 übrige Organe ,05 Summe ,00

23 Körperdosis Die Ganzkörperdosis H G ist der Mittelwert der Äquivalentdosis über Kopf, Rumpf, Oberarme und Oberschenkel bei einer als homogen angesehenen Strahlenexposition des Körpers. Die Teilkörperdosis H T 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 H T, sie wird häufig auch nur effektive Dosis oder effektive Strahlendosis genannt. E w T H T T

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