Strahlenphysik Grundlagen

Transkript

1 Dr. Martin Werner, Strahlentherapie und spezielle Onkologie

2 Elektromagnetisches Spektrum aus Strahlentherapie und Radioonkologie aus interdisziplinärer Sicht, 5. Auflage, Lehmanns Media

3 Ionisierende Strahlungen Teilchenstrahlung Elektronenstrahlung (e - ) Betastrahlung (β, β + ) Alphastrahlung (α) Protonenstrahlung (p + ) Neutronenstrahlung (n) Ladung Ruhemasse m Wellenstrahlung Röntgenstrahlung (X) Gammastrahlung (γ) keine Ruhemasse keine Ladung

4 Entdeckung der Röntgenstrahlung (X-Strahlung) Röntgen 1895

5 Entdeckung der Radioaktivität Untersuchungen von Uranerz im Sonnenlicht Becquerel 1896

6 Aufbau des Atoms Durchmesser Atomhülle ca m Atomkern ca m Massen Proton 1,67 x kg Neutron 1,67 x kg Elektron 9,11 x kg Massenverhältnisse e - : p + : n 1 : 1836 : 1839

7 Aufbau des Atomkerns A X Z X = Symbol des chemischen Elementes A = Massenzahl Z = Kernladungszahl N = Neutronenzahl = A - Z

8 Aufbau des Atomkerns Isotope Nuklide mit gleicher Protonenzahl und unterschiedlicher Neutronenzahl

9 Nuklidkarte

10 Radioaktivität Radioaktivität ist die Eigenschaft instabiler Kerne zu zerfallen und dabei eine Strahlung zu emittieren oder ein Hüllenelektron einzufangen. Natürliche und künstliche Radioaktivität Verschiedene Arten von Strahlung

11 Der Alpha-Zerfall Ra Rn He

12 Der Beta - Zerfall e 1 n p Cs Ba ( 0 ν ) e Beispiel: 131 I

13 Der Beta + - Zerfall e + 1 p n+ + 1 ( 0 ν ) 0 Na Ne e Beispiel: 18 F für PET

14 Der Elektroneneinfang ε e + 1p 0 n K + e 19 1 ( 0 ) ν Ar Kern fängt ein Elektron ein (vorwiegend) aus der K-Schale tritt auf bei Neutronenunterschuss γ Strahlung durch Auffüllung der Lücke Röntgenstrahlung Auger-Elektronen (Elektronenstrahlung) Beispiel: I-125

15 Gammastrahlung Isomere Umwandlung 137m 56 99m 43 Ba Tc Ba + γ Tc + γ

16 Zerfallsgesetz N ( t) = N(0) e λt A( t) = A(0) Zerfallsgesetz e λt A( t) ln 2 t t = A(0) e 1/ 2 Halbwertszeit t = 1 2 ln 2 λ

17 Die Halbwertszeit Physikalische HWZ: Zeit, nach der sich die Aktivität halbiert hat Biologische HWZ: Zeit, nach die Hälfte des evtl. inkorporierten radioaktiven Stoffes ausgeschieden ist Effektive HWZ: 1 t eff = t 1 phys + 1 t bio

18 Typische Halbwertszeiten Nuklid T 1/2 Zerfallsart Vorkommen 18 F 1,8 h β + Medizin (PET-Diagnostik) 99m Tc 6 h γ Medizin (Diagnostik) 131 I 8 d β Medizin (Therapie) 3 H 12,3 a β Labor, natürlich 14 C a β Labor, natürlich 137 Cs 30 a β Kerntechnik 235 U 704 Mio. a α Kerntechnik, natürlich 232 Th 14 Mrd. a α natürlich

19 Aktivität Aktivität A = Anzahl der Zerfälle Zeiteinheit = N t SI-Einheit: Bequerel [1 Bq] = [1/s] 1 MBq = 10 6 Bq 1 GBq = 10 9 Bq Alte Einheit: Curie [1Ci] [1Ci]=[3, Bq = 37 GBq]

20 Erzeugung von Röntgenstrahlung: Röntgenröhre Kathode Anodenteller Heizstromkreis U 20 V I 3-8 A Röhrenstromkreis U 100 kv I 500 ma

21 Erzeugung von Röntgenstrahlung: Röntgenröhre Erzeugung von freien Elektronen an der Kathode ( Minuspol ) Beschleunigung der Elektronen Aufprall der Elektronen auf die Anode ( Pluspol ) - Bremsstrahlung - Charakteristische Strahlung

22 Entstehung der Röntgenstrahlung I Röntgenbremsstrahlung

23 Entstehung der Röntgenstrahlung II Charakteristische Strahlung Eigenstrahlung K α Eigenstrahlung K β

24 Spektrum der Röntgenstrahlung charakteristische Strahlung: Linienspektrum ( K α und K β ) charakteristisch für das verwendete Anodenmaterial kontinuierliche Verteilung der Bremsstrahlung: Röhrenspannung bestimmt Zusammensetzung und maximal Energie

25 Filterung der Röntgenstrahlung Eigenfilterung Zusatzfilterung 2,5 mm Al-Gleichwert Warum? Ausblendung des energiearmen Strahlungsanteils Aufhärtung Verringerung der Strahlenexposition des Patienten

26 Absorption

27 Photo- und Comptoneffekt Photoeffekt: Photon wird absorbiert Comptoneffekt: Photon wird gestreut

28 Wechselwirkung mit Materie a) Photoeffekt b) Comptoneffekt c) Paarbildung aus Strahlentherapie und Radioonkologie aus interdisziplinärer Sicht, 5. Auflage, Lehmanns Media

29 Biologische Wirkung

30 Dosisbegriffe Die im Strahlenschutz üblicherweise verwendete Dosis (eigentlich: radiobiologisch bewertete Energiedosis in Gewebe ) ist ein Maß für die biologische Wirksamkeit, also für die Gefährlichkeit einer Strahleneinwirkung.

31 Energiedosis D Energiedosis D = absorbierte Strahlungsenergie Masse = E m [1 Gy] = [1J] [1kg] Alt: 1 Gy = 100 rad

32 Äquivalente Dosis & Organdosis H

33 Äquivalente Dosis & Organdosis H H = D w R Strahlungs-Wichtungsfaktor w R = Alt: 1 Sv = 100 rem

34 Effektive Dosis E E = w T H T T Gewebe-Wichtungsfaktor w T = Beispiel: Aufnahme I-131; Organdosis in der Schilddrüse 100 msv effektive Dosis beträgt 5 msv

35 Energievergleich Auf einen Menschen (75 kg) wird eine Energie von 500 J übertragen: A) Wärmeenergie (Wasser mit T = 100 C) B) Strahlungsenergie Welche Übertragungsvariante zeigt die größere Wirkung?

36 Energievergleich: Rechnung Strahlungsenergie 500 J / 75 kg = 6,6 J/kg = 6,6 Gy

37 Energievergleich: Rechnung Strahlungsenergie 500 J / 75 kg = 6,6 J/kg = 6,6 Gy Wasser (100 C) 1 g H 2 O (1 ml) um 1K ( C) erwärmen 1 cal 1 cal = 4,1 J 100 Erwärmung 410 J 500 J 1,2 ml H 2 O (100 C)

38 Energievergleich: Rechnung Strahlungsenergie 500 J / 75 kg = 6,6 J/kg = 6,6 Gy Wasser (100 C) 1 g H 2 O (1 ml) um 1K ( C) erwärmen 1 cal 1 cal = 4,1 J 100 Erwärmung 410 J 500 J 1,2 ml H 2 O (100 C) Ab 5 Gy 50% Todesrisiko!

39 Strahlenexposition in Deutschland kosmische Strahlung terrestrische Strahlung Nahrung innere Bestrahlung natürlich gesamt: 0,3 msv 0,4 msv 0,3 msv 1,1 msv ca. 2,1 msv Medizin 2 msv Industrie 0,01 msv Tschernobyl 0,01 msv Kernwaffentests 0,005 msv Flugreisen 0,005 msv Beruf 0,002 msv fossile Energieträger 0,002 msv Kernkraftwerke 0,001 msv Industrieprodukte 0,001 msv zivilisatorisch gesamt: Mittlere Gesamtexposition pro Jahr: 4,6 msv Dies wird verursacht durch natürliche sowie zivilisatorisch bedingte Quellen. ca. 2,5 msv Prozentuale Anteile der unterschiedlichen Quellen an der mittleren Jahresdosis:

40 Strahlenexposition in Deutschland

41 Risiko durch ionisierende Strahlung Das Risiko für das Auftreten stochastischer Strahlenschäden ist abhängig von der Dosis. Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von tödlichem Krebs: 5 % pro Sv oder 0,005 % pro msv Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von schweren Erbschäden: 1 % pro Sv oder 0,001 % pro msv Das bedeutet: Werden Personen mit je 10 msv bestrahlt, so werden statistisch gesehen dadurch 50 an Krebs erkranken.

42 Kernaussagen Physik der Strahlentherapie aus Strahlentherapie und Radioonkologie aus interdisziplinärer Sicht, 5. Auflage, Lehmanns Media

43 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? Nach der Pause geht s weiter mit Strahlenschutz Grundlagen. Denken Sie bitte daran die Liste zu unterschreiben.