Dosis und natürliche Strahlenbelastung

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1 Dosis und natürliche Strahlenbelastung Begriffsklärung Dosisarten Messmöglichkeiten Umrechnungen Natürliche Strahlenbelastung Dosis: Grundbegriffe und ihr Zusammenhang Aktivität Bei spontanen Kernumwandlungen wird Energie frei Strahlung Freigesetzte Energie wird transportiert Dosis Transportierte Energie wird in Materie übertragen Als Quant/Foton: Röntgen-, γ-strahlung Als Teilchen: α-, β-strahlung Energieumwandlung in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern durch Ionisation, Streuung, Absorption 1

2 Energiedosis D Radioaktive Quelle In den Körper eindringende Strahlung E ein Energiedosis = E ein E aus Ist die von einer Masseeinheit beim Durchtritt von ionisierender Strahlung aufgenommene Energie. Hängt ab von der Strahlungsenergie und dem Material, dass die Strahlung absorbiert. Strahlung, die den Körper nicht trifft, bleibt unberücksichtigt Körper absorbiert Strahlungsenergie vollständig oder teilweise Erwärmung Aus dem Körper austretende Strahlung E aus Maßeinheit: 1 Gray [Gy] = 1J/1kg D ges = D1+D2+D3+... (kumulativ) Energiedosisleistung D/Zeit [Gy/s] Energiedosis D bei innerer Bestrahlung Radioaktive Quellen Energiedosis = E Zerfälle E aus Bei allen radioaktiven Zerfällen freiwerdende Energie minus der aus dem Körper austretenden Strahlungsenergie. im Körper absorbierte Strahlungsenergie Erwärmung Aus dem Körper austretende Strahlung E aus Maßeinheit: 1 Gray [Gy] = 1J/1kg D ges = D1+D2+D3+... (kumulativ) Energiedosisleistung D/Zeit [Gy/s] 2

3 Dosis: Art, Messgrößen, Einheiten Übertragene Energie pro Masseneinheit: aber: Durch welche An welches Strahlenart? Material? beliebig Bewertung der biologischen Wirkung einer Strahlenart durch Faktor WR Bestrahlung von innen Einzelorgane: Bewertung der Strahlenempfindlichkeit eines Organs durch Faktor WT lebendes Gewebe von außen Körper: Bewertungsfaktor WT = 1: Ganzkörper Joule/kg [J/kg] Energie-Dosis D 1 J/kg = 1 Gray [Gy] Äquivalent-Dosis D*WR = Sievert [Sv] W R = 1 für X, γ und β = 20 für α W T = 0,03 für Schilddrüse Effektiv-Dosis D*WR*ΣWT = Sievert Der Dosisbegriff - Übersichtsgrafik Körperdosis Organdosis Ortsdosis Organ- Folgedosis Schutzgrößen Grenzwerte [Sv] Dosis [Sv] in Gewebe Effektive Dosis gewichtete Summe der Organdosen Effektive Folgedosis Tiefen- Personendosis H p (10) Oberflächen- Personendosis H p (0,07) Äquivalentdosis Umgebungs- Äquivalentdosis H*(10) Messgrößen Dosimeter Personendosis Radiobiologisch bewertete Energie- Richtungs- Äquivalentdosis H (0,07) 3

4 Körperdosis ist ein Maß für Gefährdung (keine physikalische Größe). Einheit: Sievert (Sv) Risiko 1 Sv effektive Dosis = 5 % tödliche Krebsfälle Körperdosis - Energiedosis Energiedosis beschreibt physikalische Prozesse (Energieübertrag auf Materie). Einheit: Gray (Gy) Energieübertrag von Strahlung auf Materie 1 Gy = 1 J/kg Bindeglied zwischen Energiedosis und Körperdosis: Strahlungs-Wichtungsfaktoren Schulungs- und Unterweisungsfolien zum Strahlenschutz, Stand Juli 2004 Qualitätsfaktor (Berücksichtigt Wirkung auf lebendes Gewebe) Wichtungsfaktor Strahlung Röntgenstrahlung Gammastrahlung 1 β-strahlung Neutronen 10 α-strahlung 20 Qualitätsfaktor Q Unbelebte Materie (z.b. Blei, Beton, ) 1 kg Lebendes Gewebe (z.b. Mensch oder einzelne Organe) Energiedosis in Gray (Gy) * Qualitätsfaktor = Äquivalentdosis in Sievert (Sv) 4

5 Körperdosis - Äquivalentdosis Man unterscheidet Körperdosis tatsächliche Dosis, nicht messbar! Schutzgröße und Äquivalentdosis. von einem Dosimeter gemessene Dosis Messgröße Die Äquivalentdosis ist ein Näherungswert für die Körperdosis. Schulungs- und Unterweisungsfolien zum Strahlenschutz, Stand Juli 2004 Personendosis - Ortsdosis Bei der Äquivalentdosis unterscheidet man zwischen Personendosis gemessen von einem Personendosimeter und Ortsdosis. gemessen von einem Ortsdosimeter Seit der Einführung der neuen Messgrößen hat die Ortsdosis an einem bestimmten Ort denselben Wert wie die entsprechende Personendosis. Schulungs- und Unterweisungsfolien zum Strahlenschutz, Stand Juli

6 Vergleich der Dosis-Größen Dosis (in Sv): Organdosis: Effektive Dosis: Körperdosis: Äquivalentdosis: gemessene Dosis Personendosis: Ortsdosis: Maß für die Gefährdung durch ionisierende Strahlung Maß für die Gefährdung des angegebenen Organs Maß für die Gefährdung des gesamten Organismus Sammelbegriff für Organdosis und effektive Dosis (nicht messbar!) mit einem Personendosimeter gemessene Dosis mit einem Ortsdosimeter gemessene Dosis Dosisleistung: gibt an, um wie viel sich die Dosis pro Zeiteinheit erhöht Vergleich der Dosis-Größen 6

7 Vergleich der Dosis-Größen Strahlenart Energiedosis Äquivalentdosis Effektivdosis α β γ 340 Gy 6800 Sv 340 Sv 340 Sv 340 Sv am Kopf 68 Sv am Thorax 3,4 Sv am Fuß Dosisleistungsmessung Die Energiedosis ist sehr schwierig zu messen! Einfacher ist die Messung der Energiedosisleistung, d.h. der Energie, die je Zeiteinheit auf eine Fläche/Volumen trifft. Sie ist z.b. proportional zum Strom eines Zählrohres. Im medizinischen Bereich benötigen wir meist die Äquivalentdosis Filmdosimeter Körperdosismessung Zur Personenkontrolle vorgeschrieben. Für Schwangere in zugelassenen Bereichen elektronisch mit sofortiger Äquivalentdosisanzeige und Warnfunktion Dosisleistungsmessgerät Ortsdosismessung Zu Kontrollzwecken in allen Bereichen, auch zur Patientenmessung nach der Radioiodtherapie (Patient darf Klinik nur verlassen, wenn die Ortsdosisleistung in 1 m Abstand ca. 14 µsv/h nicht mehr überschreitet) 7

8 Dosismessung: Personendosis Heute Standard Sammelstelle Uni Filme Filmdosimeter Rückinformation: Dosis je Mitarbeiter im vergangenen Monat Zukünftig Elektronische Dosimeter, die von Lesestationen im Vorbeigehen ausgelesen werden und die Werte an zentralen Auswerte-PC übertragen. Zugelassene Auswertestelle Natürliche und künstliche Strahlenbelastung Woher kommt die natürliche Strahlung? Belastungswege Regionale Unterschiede Woher kommt die künstliche Strahlenbelastung? Belastete Arbeitsplätze Atomwaffenversuche / Tschernobyl Medizinische Untersuchungen 8

9 Natürliche Radionuklide Zerfallsreihen der Urane und des Thorium 47 Radionuklide als Zwischenprodukte der Zerfallsreihen, mit sehr unterschiedlichen HWZ Radium-224 3,64 d Radon-220 (Thoron) 55,6 s Radon-222 3,8 d Pollonium-xxx 25 weitere primordiale Radionuklide Langlebige Radionuklide, die aus der Entstehungszeit der Erde stammen Wichtige Vertreter dieser Gruppen sind: Kalium-40 1,3*10 9 a Rubidium-87 4,8*10 10 a Kosmogene Radionuklide Radionuklide, die in der Atmosphäre durch Beschuss mit kosmischer Strahlung entstehen Kohlenstoff a Blei-xxx β 208 Pb stabil 224 Ra Zerfallsschema Thorium-Reihe = ( 100 % ) α 208 Tl 186 sec 212 Po 0,45 m sec α γ β = 583 kev = ( 64 % ) 212 Bi 1 h β = Pb 10.6 h γ = 727 kev α Edelgas Radon 216 Po 0.15 sec α γ = 238 kev 220 Rn 55 sec α 228 Ra 5,7 a 224 Ra 3.6 d γ = 241 kev 228 Ac 6,13 h γ = kev 228 Th 1,9a kev Reichweite : α ~ mm β ~ mm ( mittl.) 232 Th 1, a 9

10 Einwirkungsmechanismen der Radioaktivität auf den Menschen Innere Bestrahlung Atmung Vor allem Radon und deren Folgeprodukte (α-strahler) zeigen Strahlenwirkung auf Lungengewebe Nahrungsaufnahme Hier spielt das Kalium-40 (primodiales Radionuklid) eine maßgebliche Rolle, da es im Körper sehr häufig vorkommt (ca. 2 g/kg Körpergewicht) Äußere Bestrahlung Atmosphäre Umgebung Boden und Wasser Mittlere jährliche effektive Dosis Bundesland MV Niedersachsen Bayern Gebiet Deutschland Indien: Kerala, Madras Brasilien: Esprito Santo Iran: Ramsar Ortsdosis µsv/h 0,036 0,048 0,069 Bundesland Brandenburg Thüringen Saarland mittl. effektive Dosis der Bevölkerung msv/jahr 0, Ortsdosis µsv/h Maxim. Ortsdosis im Freien msv/jahr ,028 0,063 0,79 10

11 Radonaktivitätsverteilung in der Bodenluft Bereich von 10 kbq/m³ bis über 500 kbq/m³ Mittelwerte der Radonaktivität in Deutschland: 15 Bq/m³ im Freien 50 Bq/m³ in Gebäuden Mittlere effektive Dosis aus der Bestrahlung mit natürlichem Radon und seinen Folgeprodukten 1,4 msv/a Wesentlich höhere Werte der Radonaktivität in: Kellerräumen in Gebirgslagen Bergwerken, Stollen Höhlen Grundwasserspeichern Strahlenexpositionen bei Flügen und Raumflügen Flugbelastung Frankfurt New York Frankfurt 100 µsv Frankfurt Singapur Frankfurt 60 µsv Frankfurt- Mallorca Frankfurt 6 µsv Nach etwa 400 Transatlantikflügen im Jahr wird der Grenzwert von 20 msv erreicht Bei 600 Flugstunden in mittlerer Höhe von 10 km in unseren Breiten ergibt sich eine effektive Dosis von etwa 3 msv/a Flug Belastung bei Raumflügen Erdumkreisung Apollo VII Erdumkreisung Salut 6 Mondlandung Apollo XI Mondlandung Apollo XIV Dauer h Dosis msv 3,6 14 µsv/h µsv/h 6 30 µsv/h µsv/h Höhere Werte bei den Mondflügen resultieren aus der Durchquerung der Strahlungsgürtel der Erde in 8000 bzw km Höhe über dem Äquator 11

12 Einfluss der Flughöhe und der geografischen Breite auf die Dosisleistung beim Fliegen Zivilisatorische Strahlenbelastung Atombombenversuche in der Atmosphäre und Reaktorunfall von Tschernobyl (1986) Person in Mitteleuropa von 1960 bis 2050 aus Atombombenversuchen etwa 2 msv effektive Dosis (80% davon von

13 Strahlenexposition durch Bildschirme u.a. Natürliche Umgebungsstrahlung Bildschirmgeräte (Abstand 0,5 m) - betriebsbedingte Röntgenstrahlung - Gammastrahlung enthaltener natürlicher radioaktiver Stoffe Farbfernseher (Abstand 3 m) - betriebsbedingte Röntgenstrahlung - Gammastrahlung enthaltener natürlicher radioaktiver Stoffe Zeitschriften (Abstand 0,35 m) - Gammastrahlung von Ra- und Th- Folgeprodukten Anderer Mensch (Abstand 0,5 m) - Gammastrahlung von Ka psv/h 6 psv/h 1200 psv/h 2 psv/h 100 psv/h 30 psv/h 50 psv/h psv = Picosievert, 1 psv = 0, msv 1 psv = 0, µsv Natürliche und zivilisatorische Strahlungsbelastung für Deutschland (statistisches Mittel) Strahlenexposition aus natürlichen Quellen Kosmische Strahlung Terrestrische Strahlung Natürliche Radionuklide im Körper Inhalation von Radon und Folgeprod. Strahlenexposition aus zivilisatorischen Quellen Medizin Kernwaffenfallout Reaktorunglück Tschernobyl Wissenschaft, Technik, KKW Summe Summe Jährliche Dosis in msv 0,3 0,5 0,3 1,3 2,4 Jährliche Dosis in msv 1,5 0,02 0,02 0,01 1,55 13

14 Anteile der jährlichen Strahlendosis Strahlenbelastung bei medizinischen Untersuchungen Röntgendiagnostik msv Nuklearmedizinische Diagnostik konventionell PET CT Abdomen CT Thorax Urogramm Abdomen-Übersicht Becken-Übersicht Schädel 2 Ebenen 10 1 Herz 201 Ti-Chlorid Hirn 99m Tc-HMPAO Skelett 99m TC-Phosphat Lunge 99m Tc-Mikrosphären Schilddrüse 99m Tc-Pertechnetat Nieren 99m Tc-DMSA Glucosestoffwechse 18 F-FDG Herz 82 Rb Herz 11 C-Acetat Hirn 15 O-CO2 Blutfluss 15 O-H2O Thorax 2 Ebenen 0,1 Schillingtest 57 Co-Vit.B 12 Clearance 51 Cr-EDTA Natürlicher Strahlenpegel 14

15 Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad eines Strahlenmessplatzes ist das Verhältnis der Anzahl der gemessenen Impulse zur tatsächlichen Anzahl von Zerfällen. Detektor erfasst nur einen Bruchteil der tatsächlich emittierten Strahlung. R M Wirkungsgrad = Impulsrate Aktivität η = R M R 0 A A Schulungs- und Unterweisungsfolien zum Strahlenschutz, Stand Juli 2004 Je höher der Wirkungsgrad, desto geringer ist der statistische Fehler. 15

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