Strahlenschutz und ionisierende Strahlung
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- Julia Beltz
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1 Strahlenschutz und ionisierende Strahlung 1 Die Dosis Die wichtigste Größe im Strahlenschutz ist die Dosis D: Dosis = absorbierteenergie Masse = Joule Kilogramm = 1Gray Die Dosis eine rein physikalische Messgröße. Um die biologische Wirksamkeit der Strahlung beurteilen zu können führt man für verschiedene Strahlenarten den sogenannten Strahlungswichtungfaktor w R ein. Mit dem Strahlungswichtungsfaktor kann man die Äquivalentdosis H = w R D berechnen, sie gibt die vom Körper eines Menschen absorbierte Energie an unter der Annahme dass sich der Mensch in einem homogenen Strahlungsfeld befindet. Die Äquivalentdosis ist im praktischen Strahlenschutz die relevante Größe mit deren Hilfe sich Aussagen über die Strahlungsbelastung treffen lassen. Ihre Einheit ist das sog. Sievert. Strahlungsart Wichtungsfaktor w r Photonen, Elektronen 1 Neutronen (energieabhängig) 5-20 Alphateilchen 20 Tabelle 1: Strahlungswichtungsfaktoren 2 Biologische Wirkung von Strahlung Der Strahlungswichtungfaktor hängt im wesentlichen von der Ionisierungsdichte der Strahlenart ab. Die Ionisierungsdichte gibt an wieviele Ionenpaare pro durchquerter Längeneinheit von einem Teilchen gebildet werden. Man kann zusätzlich zum Strahlungswichtungsfaktor noch den sog. Gewebegewichtungsfaktor einführen, der angibt wie empfindlich verschiedene Organe auf Strahlung reagieren. Der 1
2 Gewebegewichtungsfaktor hängt von der Zellteilungsrate des betrachteten Organs ab, eine höhere Zellteilungsrate bedeutet eine höhere Gefährdung durch Strahlung. Wenn Strahlung die DNA-Stränge des Erbguts durch Ionisation chemisch verändert oder gar durchtrennt, kann es zu krankhaften Mutationen kommen. 3 Strahlenschutzkonzept -Rechtfertigung: Der Nutzen (z.b. wissenschaftlich, medizinisch) der durch den Umgang mit Strahlungsquellen entsteht, muss das Risiko das durch den Umgang entsteht überwiegen. -Begrenzung: Es werden sinnvolle Grenzwerte für Strahlenbelastung eingeführt, die nicht überschritten werden dürfen. In Deutschland sind dies maximal 1mSv pro Jahr bzw. 6mSv pro Jahr für strahlungsexponierte Berufsgruppen. -Optimierung: Der Umgang mit Strahlung muss so optimiert werden, dass die Grenzwerte weitmöglichst unterschritten werden und eine sinnvolle Nutzung gleichzeitig möglich ist. -ALARA: Die oben genannten Prinzipien werden unter dem ALARA-Prinzip zusammengefasst: As Low as Reasonably Achievable (So gering wie vernünftig erreichbar) 4 Entstehung ionisierender Strahlen an einem Elektronenbeschleuniger Im Falle eines Strahlverlustes an einem Elektronenbeschleuniger würden die Elektronen des Teilchenbeschleunigers das Vakuum des Strahlrohres verlassen in dem sie sich befinden und wechselwirkten mit dem Material in das sie eindringen. Dabei können die Elektronen auf 2 Arten Energie verlieren: Kollisionsverluste Bremsstrahlungsverluste de = de + de (1) dx tot dx Koll dx Brems Die Ionisationsverluste durch Kollisionen werden durch eine modifizierte Betheblochformel beschrieben: 2
3 de dx = 2πN arem 2 e c 2 ρ Z ( 1 τ 2 ) A β 2 [ln (τ + 2) 2(I/(m e c 2 ) 2 + F (τ) δ 2 C ) z ] (2) Z Kernladungszahl A Massezahl ρ Dichte m e Masse Elektron τ Energie d. Elektrons in Einheiten von m e c 2 F (τ), δ, C Z Korrekturfaktoren β = v c Der entscheidende Term in der Bethe-Bloch-Gleichung ist der Faktor 1 β 2. Er geht für hohe Geschwindigkeiten v c gegen 1. Wenn man nun die (zum Teil materialspezifischen) Konstanten im Vorfaktor zusammenfasst und die Korrekturfaktoren vernachlässigt erkennt man, dass für hohe Geschwindigkeiten (also hohe Elektronenenergien) die Energieverluste durch Kollisionen nahezu konstant sind. Die zweite Möglichkeit Energie zu verlieren nämlich durch Bremsstrahlverluste ist durch folgende Gleichung gegeben: de = NE 0 φ rad (3) dx Brems N Anzahl d. Atome pro V olumen im T argetmaterial E 0 Energie des Elektrons φ rad W irkungsquerschnitt Bremsstrahlung Die Energieverluste durch Bremsstrahlung sind proportional zur Kernladungszahl zum Quadrat und linear proportional zur Energie der einfallenden Elektronen. Deshalb werden die Bremsstrahlungsverluste bei hohen Energien überwiegen. Man kann eine sog. kritische Energie finden bei der gilt: de = de dx Koll dx Brems (4) 3
4 Abbildung 1: Bethe-Bloch-Formel Die kritische Energie errechnet sich durch folgende Formel: E krit = 800Mev Z + 1, 2 (5) An der Formel erkennt man, das selbst für kleine Kernladungszahlen Z die Energieverluste der Elektronen am MAMI (Energie d. Elektronen von bis zu 1, 5GeV ) vor allem in Form von Bremsstrahlung abgestrahlt werden würden. Es entstehen also hochenergetische Photonen. Ab einer Photonenenergie von 1, 022M ev kann es zur Paarbildung kommen. Da wir es bei der Bremsstrahlung mit Photonen, die eine Energie von mehreren hundert MeV besitzen zu tun haben kommt es zu folgendem Phänomen: Werden die Elektronen abgeberemst, entstehen hochenergetische Photonen, die sich durch Paarbildung wiederum in Elektronen-Positronen Paare verwandeln. Es kommt zum sogenannten elektromagnetischen Schauer. In (Abb.2) sieht man eine Aufnahme eines solchen Schauers. Da hinter einer Abschirmung durch den Schauereffekt die Anzahl der Elektronen wesentlich höher ist als vor der Abschirmung, führt der Schauer dazu, dass die Dosisleistung hinter einer Abschirmung zunächst ansteigt. 4
5 Abbildung 2: Elektromagnetischer Schauer 5 Neutronen Neben dem Schauer kommt es noch zu einem weiteren Phänomen, bei dem Neutronen entstehen, der Riesenresonanz. Man kann sich den Atomkern als ein System gekoppelter Oszillatoren vorstellen. Die Protonen sind mit den Neutronen durch die starke Wechselwirkung gekoppelt. Ein elektromagnetisches Feld kann mit den Protonen wechselwirken, so dass der Atomkern zum schwingen angeregt wird. Trifft eine elektromagnetische Welle genau die Resonanzfrequenz des Atomkerns kann der Atomkern zerplatzen und es kommt zur Emission von Neutronen im Energiebereich von ca. 20MeV. Ein weitaus größeres Problem sind die hochenergetischen Neutronen, die durch die Reaktion γ + p n + Π + (6) entstehen. Da Neutronen neutral sind, sind sie sehr durchdringend. Im Falle eines Störfalles wäre es in der Tat so, dass der größte Anteil der Ortsdosisleistung hinter einer Abschirmung durch die hochenergetischen Neutronen verursacht wird, wie man in (Abb. 3) erkennen kann.eine Faustformel zur Berechnung der Ortsdosis in msv h ist durch folgende Gleichung gegeben: ODL = 3600 I m(d) S(Θ, 1 E)e λ(θ,e) e r 2 (7) 5
6 Dabei gibt I e die Anzahl der Verlustteilchen an.s(θ, E) ist der sogenannte Quellterm der vom Winkel in dem man zum Strahl steht und von der Energie der austretenden Elektronen abhängt.m(d) ist die Massenbelegung, die von der Dicke d der Abschirmung abhängt. λ(θ, E) ist eine experimentell oder per Computersimulation zu bestimmende Abschirmkonstante. Der Term 1 kommt zustande, da man davon ausgeht r 2 das sich die Dosisleistung isotrop im Raum verteilt und die Intensität daher umgekehrt proportional zum Abstandsquadrat abnimmt. Setzt man konservative Werte ein kommt man auf das Ergebnis, das nach einer 2, 5m dicken Betonabschirmung ein Wert von ca. 5 msv h vorherrscht. Dies ist eine noch überschaubare Gefährdung, man sperrt aber gefährdete Bereiche während des Betriebs aufgrund dieser Gefahr deshalb ab. Abbildung 3: Abschirmung in Beton 6
7 Quellen William R. Leo: Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments 7
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