D. Dosimetrie und Strahlenschutz

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1 D. Dosimetrie und Strahlenschutz Im Physikalischen Praktikum der MHH befinden sich acht Radium-(Ra226)-Präparate, zwei Neutronenquellen sowie vier Röntgengeräte. Die Ra-Präparate werden im Versuch 15, die Neutronenquellen in Versuch 16 und die Röntgengeräte in Versuch 20 verwendet. Diese Strahlungsquellen sind nach der zweiten Strahlenschutzverordnung (SSVO) von 1964 sowie nach der 'Verordnung für die Umsetzung von EURATOm-Richtlinien zum Strahlenschutz' vom bauartlich und für die Benutzung an Schulen und ähnlichen Einrichtungen im Rahmen der naturwissenschaftlichen Ausbildung zugelassen, was aber nicht von besonderer Sorgfalt beim Umgang befreit. Es wird im Folgenden vorausgesetzt, dass die Studenten über die Natur von -, -, -, Röntgen- und Neutronenstrahlung informiert sind. Wir führen nun die wichtigsten Begriffe aus der Strahlungsdosimetrie ein, wobei wir außer den SI-Einheiten auch noch ältere, seit 1978 nicht mehr benutzte Einheiten angeben, weil man sie noch in älteren Lehrbüchern findet. 1 Aktivität Unter der Aktivität einer radioaktiven Substanz versteht man die Anzahl der Zerfälle radioaktiver Kerne in dieser Substanzmenge innerhalb einer Sekunde. Die Einheit der Aktivität ist: 1 Bequerel = 1 Bq = 1 Zerfall 1 s Die frühere Einheit war 1 Curie = 1 Ci = 10 3,7 10 D. 1 Zerfälle s 1 Ci = 37 GBq (Giga = fach). Die Aktivität von 1 Curie entspricht in etwa der Anzahl der Zerfälle pro Sekunde in einem Gramm Radium 226. Umgekehrt gilt 1 Bq = 27 pci (Pico = fach). Im naturwissenschaftlichen Unterricht dürfen nur sog. 'umschlossene' Radiumquellen mit Aktivitäten bis Bq (13 Ci) verwendet werden. 2 Energiedosis, Bewertungsfaktoren und Äquivalentdosis Wenn radioaktive oder Röntgenstrahlung in Wechselwirkung mit Materie tritt, gibt sie dabei in irgendeiner Form - meist durch Ionisationsprozesse, weswegen man dann von ionisierender Strahlung spricht, - Energie an die Materie ab. Oder anders ausgedrückt: Die Materie absorbiert Strahlungsenergie. Man führt zur Beschreibung dieses Sachverhalts den Begriff Energiedosis ein.sie ist gleich dem Verhältnis von abgegebener (absorbierter) Energie zur Masse der absorbierten Materie: Energiedosis = Ihre Einheit ist das Gray (Gy): Die früher übliche Einheit war das rad: absorbierte Strahlungsenergie Masse des Absorbers 1 Gray = 1 Gy = 1 J kg 1 rad = 0,01 Gray oder 100 rad = 1 Gray..

2 Die Äquivalentdosis: Strahlenschäden werden letztendlich durch Ionisationen hervorgerufen. Es können z.b. 'Treffer' in Zellkernen auftreten, die zur Zerstörung der betr. Zellen führen. Es hat sich nun herausgestellt, dass es von der Art der Strahlung abhängt, wie groß bei gleicher Energiedosis die durch die Strahlung verursachten biologischen Schäden sind. Diese Tatsache wird berücksichtigt durch die Einführung des Bewertungsfaktors Q (Qualitätsfaktor, Faktor der relativen biologischen Wirksamkeit, RBW-Faktor): Strahlenart Q [ Sv/Gy ] Röntgenstrahlung 1 - Strahlung 1 - Strahlung 1 Neutronenstrahlung Strahlung 20 Je größer der Q-Wert ist, desto gefährlicher ist also die betreffende Strahlung. So rufen z.b. -Strahlen etwa zwanzigfach größere Schäden hervor als - oder -Strahlung, immer bezogen auf die gleiche aufgenommene Energiedosis. Man hat daher einen zweiten Energiedosisbegriff eingeführt, die sog. Äquivalentdosis: Äquivalentdosis = Q Energiedosis = Q absorbierte Energie Masse Sie hat die gleiche Einheit Joule/kg wie die Energiedosis, unterscheidet sich von dieser aber durch den Faktor Q. Dem wird Rechnung getragen, indem man für die Einheit der Äquivalentdosis die neue Bezeichnung Sievert (Sv) einführt: 1 Sievert = 1 Sv = Q 1 J kg = Q 1 Gray Die alte, offiziell nicht mehr gebräuchliche Einheit der Äquivalentdosis ist das rem (von roentgen (oder radiation) equivalent man): 1 rem = Q 1 rad = 0,01 Sievert, demnach 100 rem = 1 Sievert. 3 Die Ionendosis Will man die Tatsache hervorheben, dass die Absorption der Strahlungsenergie vorwiegend durch Ionisationsprozesse hervorgerufen wird, betrachtet man direkt die durch Ionisation freigesetzten Ladungen bezogen auf die Masseneinheit, nur legt man dabei die Art der Materie fest: trockene Luft unter Normalbedingungen. Die Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb bzw. die Amperesekunde. Damit wird: Ionendosis J = mit der Einheit: 1Coulomb. 1kg Luft freigesetzte Ladungsmenge Masse des absorbierenden Luftvolumens Bei der Ladungsmenge betrachtet man nur die Summe der Ladungen eines Vorzeichens der durch die Strahlung erzeugten Ionenpaare. Die alte Einheit der Ionendosis ist das Röntgen. Der Zusammenhang mit der SI-Einheit ist gegeben durch: D. 2

3 1 Röntgen = 1 R = Coulomb. kg (Luft) (Das Röntgen war ursprünglich festgelegt als die Dosis, die in 1 kg Luft 1, Ionenpaare erzeugt. Daraus ergibt sich bei Kenntnis der elektrischen Elementarladung e = 1, Coulomb der obige Umrechnungsfaktor von 2, ) 4 Der Zusammenhang zwischen Energie- und Ionendosis Dieser Zusammenhang lässt sich bestimmen, wenn man die durchschnittliche Energie kennt, die zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft erforderlich ist. Die Rechnung soll hier nicht ausgeführt werden; als Ergebnis für Röntgen- und - Strahlung ergibt sich näherungsweise: Mit 1 R Ionendosis ist etwa 1 rad = 0,01 Gy Energiedosis in Luft verknüpft. 5 Die Dosisleistung Den Quotienten aus der von der Materie empfangenen Strahlungsdosis - dabei kann es sich um die Energie-, die Äquivalent- oder die Ionendosis handeln - und der Zeit, in der diese Dosis aufgenommen wird, bezeichnet man als Dosisleistung. Die Einheiten verstehen sich dann von selbst, etwa: Gray/Stunde, Sv/Woche usw. 6 Strahlenbelastung Der Mensch ist in seiner natürlichen Umgebung stets radioaktiver Strahlung ausgesetzt. Sie hat zum Teil ihren Ursprung in der aus dem Weltraum einfallenden Höhenstrahlung. Weitere Anteile stammen aus der Erdkruste (Bergbau, Gasquellen) und den Baumaterialien von Gebäuden (uranhaltige Mineralien). Außerdem existieren radioaktive Substanzen in der Atmosphäre (Restmengen aus der Zeit, als noch oberirdische Kernwaffenversuche durchgeführt wurden, oder aus bekannt gewordenen oder unbekannt gebliebenen Reaktorstörfällen). Auch im menschlichen Organismus sind geringste Mengen radioaktiver Atome vorhanden, etwa Kalium 40 und Radium 226 in der Knochensubstanz, das radioaktive Edelgas Radon in der Lunge und Kohlenstoff 14 in organischen Molekülen. All das führt zu einer natürlichen Strahlenbelastung des einzelnen Individuums in einer örtlich und zeitlich schwankenden Höhe von 2 bis 6 msv/jahr entsprechend 200 bis 600 Millirem/Jahr. Hinzu kommt die zivilisatorische Strahlenbelastung infolge diagnostischer und therapeutischer Maßnahmen in der Medizin. Während man bei einer Thorax-Aufnahme eine Dosis von 0,2 bis 1,3 mgy aufnimmt, liegen die empfangenen Strahlendosen im therapeutischen Bereich im Fall lokaler Entzündungen bei einigen Gray, bei Tumoren zwischen 10 und 100 Gray. Hierbei handelt es sich durchgängig um Teilkörperbestrahlung. Ist ein Mensch einer einmaligen Ganzkörperbestrahlung von 5 Gray ausgesetzt, führt das mit 50% Wahrscheinlichkeit zum Tod, bei 7 Gray gibt es kaum Überlebenschancen. Bei Strahlenschäden ist zu unterscheiden zwischen somatischen Schäden, die mit dem Tod des Individuums verschwinden, und genetischen Schäden (mutationserzeugenden Schäden in den Keimzellen), die an die folgende Generation weitergegeben werden. 7 Radioaktivität im Praktikum a) Die Ra-226-Präparate des Versuchs 15 sind sog. umschlossene Präparate, deren Bauart den Austritt des radioaktiven Gases Radon, von dem bei Inhalation ein hohes Gefährdungspo- D. 3

4 tential ausgeht, verhindert. Sie sind für Schulen zugelassen, wenn die Äquivalentdosisleistung im Abstand von 0,5 m den Wert von 10 Mikrosievert/ Stunde nicht überschreitet. Diese Präparate enthalten außer Radium alle radioaktiven Folgeprodukte der Ra-Zerfallsreihe; sie senden daher -, - und - Strahlen verschiedener Energien aus. Die Aktivität eines Präparats liegt bei 3, Bq. Das entspricht etwa 9 Millionstel Gramm Radium. In der 1. SSVO sind für jedes radioaktive Element Freigrenzen angegeben, die Freigrenze für das Radium liegt bei Bq. Präparate sind nach der 2.SSVO zugelassen (unter bauartlichen Auflagen), wenn ihre Aktivität das Hundertfache der Freigrenze nicht überschreitet. Insgesamt darf eine Schule bis acht solcher Präparate besitzen. Die Versuche im Praktikum sind so aufgebaut, dass die Praktikanten, die sich an die Anweisungen halten, keiner Strahlenbelastung ausgesetzt sind, die über die natürliche Schwankung des Nulleffektes hinausgeht. b) Neutronenquellen (erlaubt sind zwei Stück/Schule), die beim Versuch 16 gebraucht werden, befinden sich in einem Raum, der nicht ständig von Personen benutzt wird. Zur Wirkungsweise dieser Neutronenquellen wird auf Versuch 16 verwiesen. Sie dürfen nicht mehr als 10 5 Neutronen/Sekunde erzeugen, und die Aktivität des in ihnen enthaltenen Radiums darf 1, Bq nicht überschreiten. Außerdem muss von der Bauart her gewährleistet sein, dass die Dosisleistung 25 cm von ihrer Oberfläche entfernt nicht größer ist als 10 Sv/Stunde. Die Aktivität der in der Neutronenquelle bestrahlten Substanzen ist vernachlässigbar klein. c) Die Röntgengeräte zu Versuch 20: Bei ihnen muss sichergestellt sein, dass die Dosisleistung in 10 cm Abstand von der Oberfläche nicht größer als 10 Sv/Stunde ist. 8 Strahlenschutz im Praktikum Wir betrachten die von einem Radiumpräparat ausgehende Strahlung: Die Reichweite von - Strahlen in Luft liegt bei 5 bis 10 cm. Nach Durchlaufen dieser Strecke haben die -Strahlen ihre gesamte Energie durch Ionisation der Moleküle in der Luft verloren. -Strahlen haben in Luft eine Reichweite von einigen zehn Metern. Wesentlich kürzer ist die Reichweite beider Strahlenarten in Materie größerer Dichte. So genügt schon ein Blatt Papier oder die Hornschicht der Haut, um -Strahlen völlig zu absorbieren, bei -Strahlen mittlerer Energie reicht zur totalen Absorption eine Aluminiumschicht von einigen Millimetern Dicke. Für Wellenstrahlung gilt das in den Versuchen 15 und 20 behandelte Extinktionsgesetz. Aus ihm lässt sich der Begriff Halbwertsdicke ableiten. Darunter versteht man die Dicke einer Materieschicht, nach deren Durchlaufen die ursprüngliche Intensität der Strahlung auf die Hälfte abgesunken ist. Eine Schicht von zehn Halbwertsdicken lässt nur noch etwa ein Tausendstel der auftreffenden Strahlung durch. Außerdem gilt für Wellenstrahlung jeder Art noch eine zweite wichtige Gesetzmäßigkeit: Im Vakuum, wo keine, oder näherungsweise in Luft, wo vergleichweise wenig Energie absorbiert wird, nimmt die Intensität der von einer punktförmigen Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung mit dem Quadrat des Abstands von der Quelle ab. Damit ergeben sich fünf einfache Regeln zum Strahlenschutz im Praktikum (die fünf wichtigen 'A's): Abstand von der Strahlungsquelle möglichst groß! 1. Bei Verdopplung des Abstandes von der Strahlungsquelle geht wegen des Abstandsgesetzes mit der Intensität auch die empfangene Dosisleistung auf den vierten Teil zurück. Aufenthaltszeiten in der Nähe der Strahlungsquelle möglichst kurz! D. 4

5 2. Da die aufgenommene Strahlungsdosis proportional zur Zeit ist, die man der Strahlung ausgesetzt ist, sollte man sich nicht länger als für die Versuchszwecke erforderlich in der Nähe eines radioaktiven Präparats aufhalten. Dem wird im Praktikum Rechnung getragen. Abschirmung der Strahlungsquelle durch geeignete Absorbermaterialien! 3. Diese Maßnahme ist beim Versuch 15 nicht nötig, da die Beachtung der ersten beiden Punkte bereits genügenden Schutz gewährleistet. Die Radiumpräparate sind in Messingzylindern untergebracht. Dadurch können keine - und (zumindest weitgehend) keine -Strahlen austreten. Die Halbwertsdicke in Blei für die noch verbleibende -Strahlung beträgt ungefähr 1 cm. Wollte man erreichen, dass die Intensität der -Strahlung um den Faktor 1000 geschwächt wird, müsste man das Präparat mit einer Bleischicht von etwa 10 cm abschirmen. Aufnahme von radioaktiven Stoffen vermeiden! 4. Diese Regel muss vorwiegend beim Umgang mit offenen Strahlenquellen beachtet werden. Da im Praktikum nur umschlossene Strahler verwendet werden, die einer regelmäßigen Dichtheitskontrolle unterliegen, ist eine Inkorporation von radioaktiven Substanzen sicher auszuschließen. Aktivität auf das notwendige Maß verringern! 5. Zur Vermeidung von unnötiger Strahlenexposition sollte stets die mit der Aufgabenstellung zu vereinbarende kleinstmögliche Aktivität der Strahlenquelle gewählt werden. D. 5

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