Größen und Einheiten der Strahlenschutzmesstechnik

Transkript

1 Strahlenschutzvorlesung Größen und Einheiten der Strahlenschutzmesstechnik

2 Einleitung Radioaktivität

3 Einleitung Aktivität Strahlendosis a) Energiedosis b) Ionendosis c) Kerma d) Äquivalentdosis Ortsdosis Umgebungs-Äquivalentdosis Richtungs-Äquivalentdosis Personendosis Körperdosis Teilkörperdosis effektive Folgedosis

4 Einleitung Aktivität Strahlendosis a) Energiedosis b) Ionendosis Physikalische Größen c) Kerma d) Äquivalentdosis Ortsdosis Umgebungs-Äquivalentdosis Richtungs-Äquivalentdosis Personendosis Strahlenschutz-Größen Körperdosis Teilkörperdosis effektive Folgedosis

5 Aktivität Die Aktivität A (oder Präparatstärke) einer radioaktiver Substanz ist die Anzahl der Umwandlungen pro Zeitintervall A dn dt N N e lt 0 l N l : Zerfallskonstante (Proportionalitätskonstate) N : Anzahl der Atome Einheit: 1 s -1 = 1 Bq (Becquerel) Erinnerung: 1 Bq für statistische Vorgänge; 1 Hz für periodische Vorgänge

6 Aktivität Aktivität Bis 1985 gebräuchlich: 1 Curie (Ci) = 37 GBq = 3, s -1 1 Ci = Aktivität von 1 g 226 Ra 10 µci = 0,37 MBq Lebende Person: A = 7,5 kbq

7 Aktivität Spezifische Aktivität a A m n a A m n l N m n l m n m M n N A N l M A ln 2 N T M 1 2 A mit m n : Masse der radioaktiven Substanz, M : Molmasse und N A : Avogadro- Konstante

8 Aktivität Spezifische Aktivität a A m n a A m n l N m n l m n m M n N A N l M A ln 2 N T M 1 2 A Krieger: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes; Teubner Tag = 8, s 1 Jahr (a) = 31, s

9 Aktivität Berechnung der spezifischen Aktivität eines Isotopengemisches m ges : Gesamtmasse A NA ln 2 a* a l a m M T ges 1 2 N M A Anzahl der aktiven Nukliden N aktiv sind mit dem Anreicherungsfaktor a in der Gesamtzahl der Atome vorhanden. Quellstärke: aus der Quelle austretende Aktivität < A

10 Strahlendosis Bei der Wechselwirkung von radioaktiver Strahlung mit Materie wird auf Materie Energie übertragen, die dann stufenweise in andere Energieformen umgewandelt wird. Meist entstehen geladene Teilchen mit hoher kinetischer Energie Diese kinetische Energie geht dann über in Anregung von Atomen und Molekülen Ionisierung Chemische Prozess Wärme Bremsstrahlung

11 Strahlendosis Bei der Wechselwirkung von radioaktiver Strahlung mit Materie wird auf Materie Energie übertragen, die dann stufenweise in andere Energieformen umgewandelt wird. Meist entstehen geladene Teilchen mit hoher kinetischer Energie Diese kinetische Energie geht dann über in Anregung von Atomen und Molekülen Ionisierung Chemische Prozess Wärme Bremsstrahlung

12 Strahlendosis Ionisierende Strahlung direkte Elektronen, Positronen, Protonen, a-teilchen, Ionen geladene Teilchen indirekte Photonen, Neutronen ungeladene Teilchen

13 Strahlendosis Ionisierende Strahlung direkte Elektronen, Positronen, Protonen, a-teilchen, Ionen geladene Teilchen unmittelbare Wechselwirkung indirekte Photonen, Neutronen ungeladene Teilchen geringe Wechselwirkung kurze Reichweite lange Reichweite

14 Strahlendosis Ionisierende Strahlung direkte Elektronen, Positronen, Protonen, a-teilchen, Ionen geladene Teilchen unmittelbare Wechselwirkung indirekte Photonen, Neutronen ungeladene Teilchen geringe Wechselwirkung kurze Reichweite lange Reichweite Die Dosis beschreibt die Wirkung ionisierender Strahlung auf Materie

15 Energiedosis Die Energiedosis D gibt absorbierte Energie DW pro Masseneinheit Dm an: D dw dm bei homogener Materie: dm = r dv. r : Dichte, dv : Volumenelement Einheit: 1 Gy ( = 1 Gray ) = 1 J/kg Bis 1985: 1 rad (radiation absorbed dose) =1 rd = 10-2 J/kg Energiedosisleistung D dd dt

16 Energiedosis Spezifische g-dosisleistungskonstante k g Bei punktförmigen g-strahlungsquellen mit der Aktivität A gilt im Abstand r Dosisleistungskonstante k g für g-strahlung D k g x A 2 r Radionuklid k g in 2 Gy m hgbq 24 Na 4, K 0, Fe 1, Co 3, I 0,

17 KERMA KERMA K (Kinetic Energy Released per unit MAss ) (Kinetic Energy Released in MAterial / MAtter) Für indirekt ionisierende Strahlung (niederenergetische Photonen und Neutronenstrahlung ) wird messtechnisch oft statt der Dosis K de dm K 1 r de dv K verwendet. de K = auf die geladenes Sekundärteilchen übertragene Bewegungsenergie -> also eine Energieumwandlung bzw. eine Energieverlust

18 Die Ionendosis J gibt an, wieviel elektrische Ladungen dq (je Vorzeichens) pro Masseneinheit dm L in Luft durch die Strahlung erzeugt wird Einheit: Bis 1985: Ionendosis J dq dm L 1 C/kg = 1 As/kg 1 R (Röntgen) = 2, C/kg Ionendosisleistung: D J Eion dq edm dj dt U ion J

19 Ionendosis Die Ionendosis J gibt an, wieviel elektrische Ladungen dq (je Vorzeichens) pro Masseneinheit dm L in Luft durch die Strahlung erzeugt wird J dq dm L E ion : mittlerer Energieaufwand zur Erzeugung eines Elektron-Ion-Paares in Luft E ion = 33,7 ev U ion : mittlere Ionisationsspannung in Luft U ion = 33,7 V D Eion dq edm U ion J

20 Lineare Energietransfer LET a-strahlung g-strahlung

21 Clausen Grupen: Grundlagen Strahlenschutz, Springer 2008 Lineare Energietransfer LET Der Lineare Energietransfer (LET) geladener Teilchen in einem Medium ist der mittlere Energieverlust de auf den Weg dx, den das Teilchen durch Stöße an das Medium abgibt. Es werden dabei nur Stöße betrachtet deren Energieverlust kleiner als eine vorgegebene Energie D ist: LET L D de dx D Ein Wert von LET100 bedeutet etwa, dass nur Stöße mit einem Energieübertrag kleiner als 100 ev betrachtet werden sollen.

22 Dosismessgrößen Äquivalentdosis H anhängig von Qualitätsfaktor Q (LET) Ortsdosen H*(d) Umgebungs-Äquivaltendosis H (d, W) Richtungs-Äquivalentsdosis Personendosen H P (10) Personendosis für durchdringende Strahlung H P (0,07) Personendosis für Strahlung geringer Eindringtiefe Körperdosen H T (w R ) Organdosis mit berechnet als Funktion des Strahlenwichtungsfaktor w R E (w T ) Effektive Folgedosis berechnet als Funktion des Organwichtungsfaktor w T

23 Äquivalentdosis Die Äquivalentdosis H ist das Produkt aus (Weichteilgewebe-) Energiedosis D und Bewertungsfaktor (Qualitätsfaktor) Q H = Q D Einheit: Bis 1985: 1 Sv (Sievert) = 1 J/kg 1 rem (= 1 röntgen equivalent man) = 10-2 J/kg Äquivalentdosisleistung H dh dt

24 Äquivalentdosis Die Äquivalentdosis H ist das Produkt aus (Weichteilgewebe-) Energiedosis D und Bewertungsfaktor (Qualitätsfaktor) Q H = Q D Q ist für Gamma- und Röntgenstrahlung per Definition Q = 1. Für alle anderen Strahlungsarten ist zunächst der unbeschränkte LET zu bestimmen. LET (kev/µm) in Wasser Q (LET) < ,32 LET 2,2 > L -½

25 Äquivalentdosis Die Äquivalentdosis H ist das Produkt aus (Weichteilgewebe-) Energiedosis D und Bewertungsfaktor (Qualitätsfaktor) Q H = Q D Liegt am Messpunkt eine spektrale Verteilung vor, muss die im Qualitätsfaktor berücksichtigt werden. 1 Q Q( L) D L L dl D H Q D Q D i i i

26 Ortsdosis Die Ortsdosis ist die Äquivalentdosis im Weichteilgewebe an einem bestimmten Ort. Zu unterscheiden sind die Messgrößen: Umgebungsäquivalentdosis H*(d) in einer bestimmten Tiefe d, unabhängig von der Richtung Richtungsäquivalentdosis H (d, W) in einer bestimmten Tiefe d und dem Richtungsvektor W der einfallenden Strahlung. Gemessen an Phantomen aus ICRU-Weichteilgewebe

27 Operative Größen Die Körperdosis ist meist nicht direkt messbar. 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/cm 3 und einer Massenzusammensetzung aus 76,2 % Sauerstoff, 11,1 % Kohlenstoff, 10,1 % Wasserstoff und rund 2,6 % Stickstoff.

28 Operative Größen 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.

29 Operative Größen 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.

30 Organdosis Die Organdosis H T ist das Produkt aus Energiedosis D T des jeweils bestrahlen Körperteils und Strahlungswichtungsfaktor w R H T = w R D T w R Q ICRP 92 aus 2003

31 Organdosis Die Organdosis H T ist das Produkt aus Energiedosis D T des jeweils bestrahlen Körperteils und Strahlungswichtungsfaktor w R H T = w R D T Strahlungsart Energie Strahlungswichtungsfaktor w R β, g (Photonen) alle Energien 1 n E n < 10 kev 5 n 10 kev < E n < 100 kev 10 n 100 kev < E n < 2 MeV 20 n 2 MeV < E n < 20 MeV 10 n E n > 20 MeV 5 Protonen E p > 2 MeV 5 α-teilchen, Spaltfragmente alle Energien 20

32 Strahlenrisiko 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 p r T Der Wichtungsfaktor w T der einzelnen Organe oder Gewebe ergibt sich dann zu w T Um die Wahrscheinlichkeit p T 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. R ist hier das Gesamtrisiko eine Schädigung zu erziehlen. H T T rt R

33 Risiko- und Wichtungsfaktor 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

34 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

35 Strahlenwirkung Als Strahlenschäden werden alle krankhaften Reaktionen des Körpers und genetische Veränderungen durch ionisierende Strahlung verstanden. Bei der relativen biologischen (Strahlen-) Wirksamkeit (RBW) wird zwischen stochastischer und nicht-stochastischer Strahlenwirkung unterschieden: Stochastische Strahlenwirkungen sind solche, bei denen die Eintrittswahrscheinlichkeit (nicht der Schweregrad) als Funktion der Dosis betrachtet wird; ein Schwellenwert existiert nicht Deterministische Strahlenwirkung sind solche, bei denen der Schweregrad mit der Dosis variiert und für die ein Schwellenwert bestehen kann.

36 Strahlenwirkung Zu den stochastischen Wirkungen in dem für den Strahlenschutz relevanten Dosisbereich zählt z.b. die genetische Wirkung, die mit der Krebsentstehung verbunden ist. Deterministische Strahlenwirkungen treten aufgrund der Maßnahmen des Strahlenschutzes kaum mehr auf. Ein Beispiel für nichtstochastische Wirkung ist die Trübung der Augenlinse. Das von der Internationalen Strahlenschutzkommission (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.

37 Letaldosis Letaldosis LD 50/30 : 50 % der bestrahlten Lebewesen sterben innerhalb von 30 Tagen

38 Letaldosis Letaldosis LD 50/30 : 50 % der bestrahlten Lebewesen sterben innerhalb von 30 Tagen Wärmekapazität von Wasser: c = 4,187 J K -1 g -1 Eine Energiezufuhr von 4,5 J/kg führt zu einer Temperaturerhöhung von DT = 1, K/kg also bei 100 kg Mensch DT = 0,1 K = 0,1 C

39 Strahlenwirkung DNA-Doppelhelix

40 Strahlenwirkung DNA Einzelstrangbrüche nach g-bestrahlung sind nach min repariert Intakte Zellen können pro Minute ~ 300 Einzelstrangbrüche reparieren Reparaturaktivität wird durch Strahlung (b, g) gesteigert 1 Fehlerrate: 11 10

41 Zusammenfassung Äquivalentdosis H anhängig von Qualitätsfaktor Q (LET) Ortsdosen H*(d) Umgebungs-Äquivalentdosis H (d, W) Richtungs-Äquivalentdosis Personendosen H P (10) Personendosis für durchdringende Strahlung H P (0,07) Personendosis für Strahlung geringer Eindringtiefe Körperdosen H T (w R ) Organdosis mit berechnet als Funktion des Strahlenwichtungsfaktor w R E (w T ) Effektive Folgedosis berechnet als Funktion des Organwichtungsfaktor w T

42 Zusammenfassung Zeichen Einheit SI Einheit (Umrechnung) alt Ionendosis J As/kg 1 R = 2, As/kg) Energiedosis D Gy rd (rad) (1 Gy = 100 rd) Kerma K Gy rd (rad) (1 Gy = 100 rd) Äquivalentdosis H Sv rem (1 Sv = 100 rem) effektive Strahlendosis E Sv rem (1 Sv = 100 rem) Ionendosisleistung Energiedosisleistung Äquivalentdosisleistung effektive Strahlendosisleistung J D H E A/kg W/kg Sv/s Sv/s