Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes

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1 Hanno Krieger 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes Teubner B.G.Teubner Stuttgart Leipzig Wiesbaden

2 Inhalt Abschnitt I: Physikalische Grundlagen 1 Strahlungsarten und Strahlungsfelder Die atomare Energieeinheit ev Korpuskeln Relativistische Massenzunahme von Korpuskeln Der klassische Grenzfall* Photonen Das klassische Wellenbild Elektromagnetische Wellenpakete (Photonen) Dualismus Teilchen-Welle* Beschreibung von Strahlungsfeldern* Der stochastische Charakter von Strahlungsfeldern* Nichtstochastische Strahlungsfeldgrößen* Der Wirkungsquerschnitt* 39 2 Atombau Historische Atommodelle* Die Atomhülle Aufbau der Atomhülle Anregung und Ionisation von Atomhüllen Hüllenstrahlung Charakteristische Photonenstrahlung Augerelektronen Fluoreszenz- und Augerelektronenausbeuten Der Atomkern Atomkernmodelle Bindungsenergie und Massendefekt von Atomkernen Anregung von Atomkernen und Separation von Nukleonen Wichtige Begriffe der Atom- und Kernphysik 78 3 Radioaktivität Radioaktive Umwandlungsarten 82

3 Inhaltsverzeichnis Der Alphazerfall Die ß-Umwandlungen Die ß"-Umwandlung Die ß + -Umwandlung Der Elektroneneinfang (EC) Die Gammaumwandlung Die Innere Konversion (IC) Spontane Kernspaltung, Neutrönenquellen, Protonenzerfall Das Zeitgesetz für den radioaktiven Zerfall Aktivitätsdefinitionen Formulierung des Zerfallsgesetzes Aktivitätsanalyse und radioaktives Gleichgewicht* Natürliche Radioaktivität Die kosmogenen Radionuklide Die primordialen Radionuklide Künstliche Radioaktivität Wechselwirkung ionisierender Photonenstrahlung Der Photoeffekt Der Comptoneffekt Überblick über die Theorie des Comptoneffektes* Berechnung der Energie des gestreuten Photons* Winkelverteilungen der Comptonphotonen* Energie- und Winkelverteilungen der Comptonelektronen* Die Paarbildung durch Photonen im Coulombfeld Die klassische Streuung Kernphotoreaktionen Der Schwächungskoeffizient für Photonenstrahlung Schwächungskoeffizient bei Stoffgemischen und Verbindungen* Der Energieumwandlungskoeffizient für Photonenstrahlung Der Energieabsorptionskoeffizient für Photonenstrahlung Schwächung von Strahlenbündeln ungeladener Teilchen Exponentielle Schwächung Schwächung schmaler heterogener Strahlenbündel ungeladener Teilchen* 200

4 6 Inhaltsverzeichnis 5.3 Aufhärtung und Homogenität heterogener Photonenstrahlung* Schwächung ausgedehnter, divergenter Strahlenbündel in dicken Absorbern* Wechselwirkung von Neutronenstrahlung mit Materie 6.1 Elastische Neutronenstreuung Labor-und Schwerpunktsystem* Neutronenrestenergie* Energieübertrag durch Neutronen Vielfachstreuung von Neutronen Moderation und Lethargie von Neutronen* Neutronenwechselwirkungen mit menschlichem Gewebe Inelastische Neutronenstreuung Neutroneneinfangreaktionen Einfang langsamer Neutronen Einfang schneller Neutronen Neutroneninduzierte Kernspaltung und Spallation Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie Das Bremsvermögen für geladene Teilchen Das Stoßbremsvermögen Das Strahlungsbremsvermögen Richtungsverteilung der Bremsstrahlungsphotonen für Elektronen- 251 Strahlung Verhältnis von Stoß- und Strahlungsbremsvermögen für Elektronen Energiespektren von Elektronen in Materie Das Streuvermögen für Elektronen Transmission und Rückstreuung von Elektronen Reichweiten geladener Teilchen Reichweiten schwerer geladener Teilchen Bahnlänge und Reichweiten monoenergetischer Elektronen Reichweiten und Transmission von ß-Strahlung Wechselwirkungen negativer Pi-Mesonen Ionisierung und Energieübertragung Ionisierungsvermögen und Ionisierungsdichte Der Lineare Energietransfer (LET)

5 Inhaltsverzeichnis Stochastische Messgrößen für die Mikrodosimetrie* Strahlenschutzbegriffe, Dosisgrößen und Dosisleistungskonstanten Allgemeine Strahlenschutzbegriffe Physikalische Dosisgrößen Die Dosisgrößen im Strahlenschutz Die Äquivalentdosis Die Ortsdosisgrößen Die Personendosisgrößen Die Organdosen Die Effektive Dosis Die bisherigen Dosisgrößen im Strahlenschutz* Die bisherigen Dosismessgrößen* Die bisherige Größe Äquivalentdosis* Die bisherige Größe Effektive Äquivalentdosis* Dosisleistungskonstanten Kermaleistungskonstanten für Gammastrahler Photonen-Dosisleistungskonstanten im Strahlenschutz Dosisleistungskonstanten von Gammastrahlern Dosisleistungskonstanten für Bremsstrahlungen Dosisleistungskonstanten für Röntgenstrahier Dosisleistungskonstanten für reine Betastrahler 323 Abschnitt II: Biologische und epidemiologische Grundlagen 10 Grundlagen zur Strahlenbiologie der Zelle Aufbau menschlicher Zellen Die strahlenbiologische Wirkungskette in Zellen DNS-Schäden und ihre Reparatur Dosiseffekt-Beziehungen Beschreibung von Dosiswirkungskurven* Mathematische Beschreibung von Überlebenskurven* Parameter der Strahlenwirkung Der Sauerstoffeffekt Chemische Modifikatoren der Strahlenwirkung 368

6 8 Inhaltsverzeichnis Abhängigkeit der Strahlenwirkungen von der Zellzyklusphase Abhängigkeit der Strahlenwirkung vom zeitlichen Bestrahlungsmus- 373 ter Einflüsse des morphologischen Zelldifferenzierungsgrades Volumeneffekte der Strahlenwirkung Temperaturabhängigkeit der Strahlenwirkung Die Relative Biologische Wirksamkeit (RBW) Die Dosisabhängigkeit der RBW* Abhängigkeit der RBW vom Linearen Energietransfer LET* RBW und Wichtungsfaktoren Q und w T im Strahlenschutz* Strahlenwirkung und Strahlenrisiko Deterministische Strahlenwirkungen " Stochastische Strahlenwirkungen Dosis-Wahrscheinlichkeitskurven für stochastische Schäden Abschätzungen des stochastischen Stahlenrisikos Abschätzung des Krebsrisikos Heriditäres Schadensrisiko Risiken pränataler Strahlenexposition Altersabhängigkeit des stochastischen Strahlenrisikos Strahlenschutzphantome Strahlenexposition des Menschen Natürliche Strahlenexposition Externe terrestrische Strahlenexposition Externe kosmische Strahlenexposition Interne Strahlenexposition durch natürliche Radionuklide Interne Strahlenexposition durch kosmogene Radionuklide Interne Strahlenexposition durch primordiale Radionuklide Zusammenfassung zur natürlichen Strahlenexposition Zivilisatorisch bedingte Strahlenexposition Medizinische Strahlenexposition Kernwaffentests Kernenergie Energie- und Wärmeerzeugung durch fossile Brennstoffe 463

7 Inhaltsverzeichnis Weitere zivilisatorische Strahlungsquellen Baumaterialien* Berufliche Strahlenexposition Zusammenfassung natürliche und zivilisatorische Strahlenexposition 469 Abschnitt III: Praktischer Strahlenschutz 14 Strahlenschutzrecht Das System des Strahlenschutzrechtes Strahlenschutzverantwortliche und Beauftragte, Anwender Fachkunde im Strahlenschutz Strahlenschutzbereiche Grenzwerte Praktischer Strahlenschutz Allgemeine Maßnahmen zur Verringerung der Strahlenexposition Berechnung von Abschirmungen und Schutzwänden* Abschirmung direkt ionisierender Strahlung* Abschirmungen von Neutronenstrahlung* Berechnung von Gamma-Abschirmungen und Schutzwänden* Berechnung von Abschirmungen für Röntgenstrahlung* Berechnung von Abschirmungen in der Nuklearmedizin* Strahlenexpositionen in der medizinischen Radiologie 16.1 Strahlenexposition in der Projektionsradiografie Körperdosisabschätzungen für Patienten Expositionen des Personals in der Projektionsradiografie Exposition im Nutzstrahl von Projektionsradiografieanlagen Strahlenexposition des Personals im Streustrahlungsfeld von 523 Anlagen zur Projektionsradiografie 16.2 Strahlenexpositionen in der Computertomografie Expositionen von Patienten bei CT-Untersuchungen CTDI und Dosislängenprodukt bei CT-Untersuchungen* Abschätzung der Patientendosis bei CT-Untersuchungen Strahlenexposition des Personals bei der Computertomografie Strahlenexpositionen in der Nuklearmedizin Strahlenexpositionen von Patienten

8 10 Inhaltsverzeichnis Strahlenexpositionen des nuklearmedizinischen Personals Anhang Einheiten des Internationalen Einheitensystems SI, abgeleitete Einheiten Physikalische Fundamentalkonstanten Daten von Elementarteilchen, Nukleonen und leichten Nukliden Massenschwächungskoeffizienten u/p für monoenergetische Photonen Zusammensetzung der Massenphotonenwechselwirkungskoeffizienten für 560 Stickstoff und Blei 17.6 Massenenergieabsorptionskoeffizienten u e n/p für monoenergetische Photo- 563 nen 17.7 Massenstoßbremsvermögen für monoenergetische Elektronen Massenstrahlungsbremsvermögen für monoenergetische Elektronen Bremsstrahlungsausbeuten für monoenergetische Elektronen Reichweiten von Elektronen, Protonen und Alphateilchen in Luft und Was- 571 ser Dichten wichtiger dosimetrischer Substanzen Gewebe-Luft-Verhältnisse für diagnostische Röntgenstrahlung Patientenschwächungsfaktoren und Konversionsfaktoren für diagnostische 574 Röntgenstrahlung Ortsdosisleistungen im Streustrahlungsfeld eines Computertomografen Daten zum ICRP Referenzmenschen Elemente des Periodensystems Literatur Lehrbücher und Monografien Wissenschaftliche Einzelarbeiten Nationale und internationale Protokolle und Reports zu Dosimetrie und 593 Strahlenschutz 18.4 Gesetze, Verordnungen und Richtlinien zum Strahlenschutz, gültig für die 598 Bundesrepublik Deutschland 18.5 Deutsche Industrie-Normen zu Dosimetrie und Strahlenschutz Wichtige Internetadressen 603 Sachregister 605