Wintersemester 2011/2012 Strahlenwirkung, Strahlenschutz und Dosimetrie 19.1.2012 Dr. Udo Gerstmann Bundesamt für Strahlenschutz ugerstmann@bfs.de & gerstmann@gmx.de 089-31603-2430
ICRP International Commission on Radiological Protection 1928 gegründet von der "Internationalen Gesellschaft für Radiologie" als "Internationales Komitee zum Schutz vor Röntgenstrahlung und Radium"
Strahlenschutz international 1. Internationale Strahlenschutzkommission (ICRP) a) Europäische Richtlinie nach EURATOM-Vertrag Grundlage für nationale Gesetze und Verordnungen - Atomgesetz - Strahlenschutzverordnung - Röntgenverordnung - Strahlenschutzvorsorgegesetz - weitere Detailregelung in Richtlinien, Normen etc. b) IAEA Basic Safety Standards for the Protection against Ionizing Radiation Sources
Strahlenwirkungen Deterministische Strahlenwirkungen allgemeine und lokale Effekte Schweregrad von Dosis abhängig! Schwellendosis Beispiele: Strahlenkrankheit, Strahlentod, Hautreaktionen, Strahlenkatarakt, Sterilität, Änderungen im Blutbild Stochastische Strahlenwirkung zufallsabhängig, Wahrscheinlichkeitsabhängigkeit Beispiel: Tumorbildung keine Schwellendosis! Rechtfertigung & Beschränkungen
Deterministische Strahlenwirkung beim Menschen γ-dosis (Gy) Symptome 0,2-0,5 Reduzierung der roten Blutkörperchen 0,5-1 Leichter Strahlenkater (z. B. Kopfschmerzen) 1-2 Leichte Strahlenkrankheit (Übelkeit, Erbrechen, Appetitlosigkeit) LD 10/30 (10 % Todesfälle nach 30 Tagen) 2-3 Schwere Strahlenkrankheit, LD 35/30 3-4 Schwere Strahlenkrankheit, LD 50/30 4-6 Akute Strahlenkrankheit, LD 60/30 6-10 Akute Strahlenkrankheit, LD 100/14 10-20 Akute Strahlenkrankheit, LD 100/7 50-100 Akute toxische Wirkung durch Eiweiß-Zersetzungsprodukte 1000 sofortige Zerstörung des Nervensystems, "Sekundentod" Beispiel Chernobyl
LD50/30 für verschiedene Organismen
S
Dosimetrie Körperdosis Äquivalentdosis Die tatsächliche Dosis eines Menschen (nicht messbar) Mit Dosimetern gemessene Dosis physikalische Basis: - Organ-Energiedosis D T,R [Gy] Risikobewertung: - Organdosis HT - Effektive Dosis [Sv] Grenzwerte Definierte Größen: - Personendosis H P [Sv] Personendosimeter - Ortsdosis H*, H' [Sv] Ortsdosismeter
Strahlenwirkung auf Materie allgemein: Energiedosis ionisierende Strahlung absorbierte Energie pro Masse Energiedosis D [Gy] 1 Gy = 1 J kg -1 Leuchten elektrische Leitfähigkeit Materialveränderung
Übertragbarkeit auf den Menschen? Ionisationsdichte (Zahl der Ionen pro Volumen) Linearer Energie-Transfer (LET, pro Wegstrecke übertragene Energie locker ionisierend (z. B. Photonen, ß-Teilchen) dicht ionisierend (z. B. α-teilchen)
Organdosis H T,R ist die mit einem biologischen Wirkungsfaktor w R multi-plizierte, über ein Organ gemittelte Energiedosis D T,R (T = tissue, R = radiation). Bei verschiedenen Strah-lungsarten mit unterschiedlichen w R wird summiert. H T,R = Σ w R. D T,R Einheit: Sievert (Sv) 1 Sv = 1 Joule pro Kilogramm
Wirkungsfaktor w R Strahlungsart w R γ, X, β, Myonen 1 α, Spaltprodukte, schwere Kerne 20 < 10 kev 5 10 kev - 100 kev 10 Neutronen 100 kev - 2 MeV 20 2 MeV - 20 MeV 10 > 20 MeV 5
Effektive Dosis E Zur Bestimmung der effektiven Dosis werden die einzelnen Organdosen summiert. Die unterschiedliche Strahlenempfindlichkeit verschiedener Organe wird durch Gewebewichtungsfaktoren w T berücksichtigt: E = Σ w T H T
Gewebe-Wichtungsfaktor w T (nach ICRP Publication 60, 1991) Organ bzw. Gewebe Keimdrüsen 0,20 Knochenmark (rot), Dickdarm, Lunge, Magen je 0,12 Blase, Brust, Leber, Speiseröhre, Schilddrüse, je 0,05 alle sonstigen Organe Haut, Knochenoberfläche je 0,01 w T
Voxelphantome zur Berechnung von Körperdosen
Dosisgrenzwerte (in msv/a) Beruflich strahlen-exponierte Personen Bevölkerung Effektive Dosis 20 1 Augenlinse 150 15 Haut 500 50 Keindrüsen, Gebärmut-ter, rotes Knochenmark 50 - Schilddrüse, Knochenoberfläche 300 - Lunge, Magen, Blase 150 -
Mittlere effektive Dosis der deutschen Bevölkerung im Jahr 2006 Nuklearmedizin 0.12 msv Radon und Folgeprodukte 1.1 msv Röntgendiagnostik E = 4,0 msv 1.8 msv A-Bombentests Tschernobyl Kernreaktoren Forschung Industrie <0.05 msv 0.3 msv Nahrung 0.4 msv Terrestrische Strahlung 0.3 msv Kosmische Strahlung
Mittlere effektive Dosis der deutschen Bevölkerung im Jahr 2006 Quelle: BMU-Jahresbericht 2006
Dosisbegriffe Körper-Dosis nicht messbar Grenzwertfestlegung Organdosis H T Effektive Dosis E Äquivalent-Dosis messbare Schätzwert der Dosis bei externer Strahlenexposition Ortsdosis H*(10) H'(0,07) Personendosis Dosimeter! Tiefenpersonendosis H P (10) Oberflächenpersonendosis H P (0,07)
Äquivalentdosis H ist die mit einem Qualitätsfaktor multiplizierte, über ein Organ gemittelte Energiedosis D. Bei verschiedenen Strahlungsarten mit unterschiedlichen w R wird summiert. H = Q. D Q = Qualitätsfaktor, D = Energiedosis
Personendosis wird mit dem einem Personendosimeter gemessen gilt als Schätzwert für die externe Strahlenexposition Tiefen-Personendosis H P (10) ("Knochendosis") Schätzwert für die effektive Dosis Oberflächen-Personendosis H P (0,07) ("Hautdosis") Schätzwert für lokale Hautdosis
Filmdosimeter
Bestimmung der externen Strahlenexposition Ganzkörper-Dosimeter Finger-Dosimeter
Stabdosimeter
Externe & interne Strahlenexposition Externe Exposition Interne Exposition
Interne Strahlenexposition Grundproblem: interne Dosis ist nicht direkt messbar! Emissionswahrscheinlichkeit, Art und Energie der emittierten Strahlung Empfindlichkeit der Organe Halbwertszeit des Radionuklids Strahlen wirkung Anatomie des Körpers Zeitliche Dosisverteilung Räumliche Dosisverteilung
Interne Strahlenexposition Lösung des Problems: Einführung von Modellen Biokinetische Modelle Beschreiben Deposition, Verteilung und Retention von Radionukliden im Körper Ziel: Berechnung der Aktivität in einzelnen Organen Dosimetrische Modelle Ziel: Berechnung der Dosis in Ziel-Organen auf Grund der gemessenen Aktivität in den Organen
Biokinetik Expositionspfade: Inhalation (hpts. beruflich Exponierte) Ingestion (hpts. Bevölkerung) Injektion (hpts. Patienten) Haut (hpts. beruflich Exonierte) Wunde (hpts. beruflich Exponierte) Instillation (hpts. Patienten) Inhalation Ingestion Haut Injektion Wunde
Biokinetik-Modelle der ICRP - Verdauungstrakt-Modell Magen-Darm-Trakt-Modell (ICRP 30) Verdauungstrakt-Modell (ICRP 100) ersetzt durch
Biokinetik-Modelle der ICRP Ingestion Magen-Darm-Trakt-Modell (ICRP Publ. 30, 1979) Verdauungstrakt-Modell (ICRP Publ. 100, 2006) Inhalation Atemtrakt-Modell (ICRP Publ. 66, 1984) System. Transport Embryo/Foetus (ICRP Publ. 88, 2001) Bevölkerung (ICRP Publ. 56, 67, 71, 72, 1989-96) Beruflich Exponierte (ICRP Publ. 68, 1994) Ausscheidung Bevölkerung (ICRP Publ. 53, 1987) Patienten (Publ. 67, 1993) Beruflich Exponierte, Überwachung (ICRP Publ. 78, 1997)
Biokinetikmodelle der ICRP - Atemtrakt (ICRP 66) Teilchendichte: 1 g cm -3 Atemrate: 300 cm 3 s -1 Atemzyklusdauer: 5 s Typ F: Alles wird aborbiert mit T 1/2 = 10 min Typ M: 10% wird absorbiert mit T 1/2 = 10 min, 90% mit T 1/2 = 140 d Typ S: 0,1% wird absorbiert mit T 1/2 = 10 min, 99,9% mit T 1/2 = 7000 d
Inkorporationskontrolle: Dosiskoeffizienten Inkorporation und Dosiskoeffizient bei akuter Zufuhr Die effektive Äquivalentdosis E k bzw. die Organdosis D Ok ist bei einmaliger Zufuhr der A k des Radionuklids k durch den Zufuhrpfad j zu ermitteln: E k = δ Ejk A k effektiv und D Ok = δ Ojk A k Organ bzw. Gewebe δ: Dosiskoeffizient Die Einheit der Dosiskoeffzienten ist: [δ] = 1 Sv Bq -1
Inkorporationskontrolle Einflussfaktoren auf den Dosiskoeffizienten Radionuklid - Art der emittierten Strahlung - Biokinetik - Halbwertszeit - Verteilung auf die Organe/Gewebe Chemische Verbindung (z. B. Inhalation; analog Ingestion) - F (überwiegend schnelle (Fast) Biokinetik) - M (überwiegend mittelschnelle (Mean) Biokinetik) - S (überwiegend langsame (Slow) Biokinetik) Korngröße: Standard: AMAD: 5 µm Lebensalter und Beruf: - Einzelperson der Bevölkerung ungeboren, neugeboren, < 1 y, 1 5 y, 5-12 y, 12-17 y, > 17-70 y - beruflich strahlenexponierte Personen (> 17 y) Organe und Gewebe Zufuhrpfad (Inhalation, Ingestion)
Inkorporationskontrolle - Beispiel 3 H Inhalation einmalig 1000 Bq 3 H. Welche effektive Dosis erhält die Person? E( 3 H) = 4,1 10-11 Sv/Bq 1000 Bq 3 H = 4,1 10-8 Sv = 41 nsv Vergleich: die natürliche externe Strahlenexposition beträgt ca. 50 bis 70 nsv/h. Der ermittelte Wert entspricht der natürlichen externen Strahlenexposition in ca. 35 bis ca. 50 min.
Inkorporationskontrolle - Beispiel 232 Th Inhalation einmalig von 1000 Bq 232 Th (ca. 250 mg 232 Th)? Effektive Dosis: E( 232 Th) = 2,9 10-5 Sv/Bq 1000 Bq 232 Th = 2,9 10-2 Sv = 29 msv Dosis für das kritische Organ bzw. Gewebe: Knochenoberfläche D O ( 232 Th) = 1,5 10-3 Sv/Bq 1000 Bq 232 Th = 1,5 10 0 Sv = 1500 msv Vergleich mit Dosisgrenzwerten: Effektive Dosis: 20 msv/ Jahr. Organdosis: Knochenoberfläche: 300 msv/jahr.
Inkorporationsüberwachung Überwachung der Radioaktivität in der Luft + einfach, Gruppenerfassung, emfindlich, kontinuierlich - nur Inhalation, repräsentativ?, nur bei Normalbetrieb Ganz-/Teilkörperzählung + individuell, gut für γ-strahler, direkte Bestimmung der inkorporierten Aktivität, unabhängig von Inkorporationspfad - teure Ausstattung, nur für γ-strahler, komplexe Auswertung Ausscheidungsanalytik + individuell, gut für alle Strahler, unabhängig von Inkorporationspfad - zeitaufwändig und teuer, schwierige Auswertung, Querkontaminationen
Ganzkörperzählung
Ganzkörper-Gammaspektrum nach Chernobyl
137 Cs-Körperaktivität der süddeutschen Bevölkerung Ganzkörper-Aktivität an 137 Cs / Bq 2500 2000 1500 1000 500 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Monate seit dem Unfall von Chernobyl Ganzkörper-Aktivität an 137 Cs / Bq 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Monate seit dem Unfall von Chernobyl
Teilkörperzählung 90 Y
HMGU Teilkörperzähler
United States Transuranium and Uranium Registries (USTUR) 241 Am Bone Phantom 286 ± 90 Bq 622 ± 20 Bq 1035 ± 30 Bq 733 ± 50 Bq Bezugsdatum: 1.2.1980
Ausscheidungsanalytik Inhalation Deposition f r Human respiratory tract 1-f r Rapid dissolution Slow dissolution s r s s Body fluids Age-specific uranium systemic biokinetic f 1 Gastrointestinal tract model Urine Faeces
Ausscheidung von 3 H über den Urin nach kontinuierlicher Aufnahme aus einer Uhr über die Haut 0,08 msv a -1 (Schönhofer & Pock 1995)