Strahlenschutzkurs für Zahnmediziner. Geladene Teilchen. Wechselwirkung der Strahlungen mit der Materie

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1 Wechselwirkung der Strahlungen mit der Materie Strahlenschutzkurs für Zahnmediziner 2. Wechselwirkung der Strahlungen mit der Materie. Messung der ionisierenden Strahlungen. Dosisbegriffe α β Geladene Teilchen β γ Elektomagnetische Str. Rtg n Neutron Ungeladene Teilchen Dr. László Smeller Geladene Teilchen Ionization. Energieverlust => Reichweite Lineare Energieübertragung (LET, Linear Energy Transfer) LET = (lineare Ionendichte). (zur Ionisation notwendige Energie) Lineare Ionendichte für ein α-teilchen in Luft α β Bragg Spitze 4

2 Reichweite β -Strahlung α-strahlung β -Strahlung γ Luft einige cm Gewebe 0,01-0,1 mm m cm β e Ionisation e- Annihilation N N Reichweite Reichweite γ Abstand Abstrand Reichweite Anwendung: PET Wechselwirkung der Röntgen- und Gamma-Strahlung mit der Materie Photoelektrischer Effekt 7 8

3 Compton Effekt Paarbildung 9 10 Elastische Streuung Wichtigste physicalische Begriffe für charakterisierung der Strahlung Energie Leistung Intensität E [] J ΔE J P = = W Δt s J ΔP ΔA W m =

4 Schwächung der γ- und Röntgenstrahlung J 0 J J = J e 0 x J 0 /2 J 0 /4 Keine Reichweite! J 0 /8 0 D 2D 3D x x 1/10 =3,33 D x 1/1000 =10 D J 0 J J 0 J 0 2 J D x J = J 0 e x : (linearer) Schwächungskoeffizient Maßeinheit: 1/m, 1/cm (Stoffart, Dichte, Energie der Strahlung) =(Stoffart,ρ,E foton ) ρ m = ρ 2D 1 δ = Eindringstiefe Die Intensität sinkt auf den e-ten Teil des Anfangswertes ( 37%) Massenschwächungskoeffizient Maßeinheit: cm 2 /g Schwächung der γ- und Röntgenstrahlung Massenschwächungskoeffizient: = m ρ m =τ m σ m κ m τ m =cλ 3 Z 3 15

5 Neutronenstrahlung Keine Ladung => indirekte Ionisation Elastische Streuung an einem Proton Unelastische Streuung: Anregung des Atomkernes => γ Strahlung Neutroneneinfang: ein radioaktiver Atomkern entsteht Kernspaltung Al Pb Beton 18 Detektierung der ionisierenden Strahlungen Methoden der Detektierung der ionisierenden Strahlungen Szcintillationszähler Gasionisationsdetektoren Thermolumineszenzdosimeter Photographische Methoden (Film) Halbleiterdetektor

6 Szintillation Szintillationsdetektor Szintillationskristall (Szintillationszähler) Rtg oder γ Str. Licht NaI(Tl) Meistens für γ-und Röntgenstrahlung. (β) α 22 Gasionisationsdetektoren Gasionisationsdetektoren Ionisationskammer - I Q I = t A - Ionenstrom Ionisationskammer: alle Ionen werden gesammelt. s. Dosimetrie Geiger- Müller Bereich: Lawineeffekt: Teilchen Spannungsimpuls

7 Geiger-Müller Zählrohr I Geiger-Müller Zählrohr I - t R U - t Zähler Nachteil: kleine Empfindlichkeit für γ-strahlung Nicht Energieselektive Vorteil: einfache Aufbau Anwendung: Dosimetrie Lawineeffekt! Thermolumineszenz

8 Personaldosimetrie Jim Voss amerikanische Astronaut verwendet das Pille Thermolumineszenzdosimeter (Entwickelt in Budapest) (Fotó: NASA ISS002E7814) Photchemische Detektion obsolet Halbleiter Prinzip:Halbleiterdiode in Sperrichtung: Elektron im Leitungsband Loch im Valenzband n p A A I

9 Halbleiterdosimetern für Dosimetrie Dosisbegriffe Def: 1. Energiedosis ΔE D = Δ m Maßeinheit J/kg = Gy (gray) Gültig für sämtliche Strahlungen Die in Δm Masse aus der Strahlung absorbierte Strahlungsenergie Energiedosis: Messung: D = de dm Direkte Messung ist praktisch unmöglich (Temperaturänderung: ΔT = 0,0015 C /Gy) Indirekte Methoden Ionisationskammer Halbleiterdetektor Thermolumineszenzdosimeter... [Gy] 1 Gy Symptomen der Strahlenkrankheit 4 Gy Halbletale Dosis 6 Gy Lethale Dosis (bei Ganzkörperbestrahlung)

10 2. Ionendosis: X ΔQ = Δm Nur für γ und Röntgenstrahlung, in Luft! Maßeinheit: C/kg Die in Δm Masse entstandene positive oder negative Ladung. Ionendosis: Ideal messbar mit einem Ionisationskammer - Q I = t I t X dq X = dm A - Ionendosis Wie berechnet man die Energiedosis aus der Ionendosis? Zu einer Ionisation braucht man 34 ev in Luft 34 ev= 34 1, J 1, C 34 J 1 C C J 1 34 = 34 Gy Luft kg kg dq X = dm Wie berechnet man die Energiedosis für Geweben? D D D Gewebe Luft = = m, Gewebe m, Luft m, Gewebe Gewebe 0 m, Luft Für Weichteilgeweben bei E foton <0,6 MeV: f X J f = 0 34 C m, Gewebe m, Luft 1,1

11 f 0 Meßtechnische dosis? Wirksamkeit der Strahlung Empfindlichkeit der Geweben Wahrscheinlichkeit der Strahlenschädigung Biologische Wirkung der Strahlung Stochastische W. Deterministische W. Dosis Wahrscheinlichkeit der Strahlenschädigung 100% Dosis Strahlentherapie Strahlenschutz (Deterministishe Wirkung) Im allgemeinen eine Strahlungsart eine Gewebeart wird bestrahlt Energiedosis proportional Biologische Wirkung (Stochastische Wirkung) Im allgemeinen unterschiedliche Gewebearten werden mit mehreren Strahlungsarten bestrahlt müssen mit Wichtungsfaktoren addiert werden Biologische Wirkung Energiedosiswerte Energiedosiswerte Wichtungsfaktoren: Wirksamkeit der Strahlung Empfindlichkeit der Gewebe Äquivalentdosis: zb: H = w D w D w Haut müssen mit Wichtungsfaktoren addiert werden α H = w D T Haut, α R β R T, R Haut, β Biologische Wirkung D T,R ist die aus R Strahlung in T Gewebe absorbierte Dosis. Die Aquivalentdosis (H T ) gilt für alle ionisierenden Strahlungen und berücksichtigt die unterschiedliche Gefährlichkeit der Strahlungen. γ D [Sv] Haut, γ

12 w R Wichtungsfaktoren Charakterisiert der Gefährlichkeit der Strahlung im Vergleich zur γ-strahlung. Teilchen Energie w R Photon 1 Elektron 1 Neutron <10 kev 5 10 kev-100 kev kev- 2 MeV 20 2 MeV - 20 MeV 10 > 20 MeV 5 Proton > 2 MeV 5 Alfa Teilchen 20 Energiedosiswerte Effektive Dosis: müssen mit Wichtungsfaktoren addiert werden Wichtungsfaktoren: Wirksamkeit der Strahlung Empfindlichkeit der Gewebe E = w H T Gewichtete Summe der Äquivalentdosiswerte. w T drückt die Wahrscheinlichkeit der relativen stochastischen Schädigung des bestrahlten Gewebes oder Organs aus. T T w T = 1 T Biologische Wirkung [Sv] Die w T Gewebe-Wichtungsfaktoren Zusammenfassug der Dosisbegriffe Szövet/szerv w T Szövet/szerv w T Gonaden 0,2 Leber 0,05 Knochenmark 0,12 Speiseröhre 0,05 Dickdarm 0,12 Schilddrüsse 0,05 Lunge 0,12 Haut 0,01 Magen 0,12 Knochenoberfläche 0,01 Harnblase 0,05 andere Geweben 0,05 f 0 Meßtechnische dosis Wirksamkeit der Strahlung Empfindlichkeit der Gewebe H T E Dosisbegriffe nur für Strahlenschutz