Größen und Einheiten der Strahlenschutzmesstechnik

1. Größen und Einheiten der Strahlenschutzmesstechnik Dr. Hans-Jochen Foth Fachbereich Physik Technische Universität Kaiserslautern

2. Inhalt: I SI-Einheiten II Aktivität III Strahlendosis a) Energiedosis b) Ionendosis c) Äquivalentdosis d) Ganzkörperdosis e) Teilkörperdosis f) effektive Folgedosis

3. I SI-Einheiten (Système International d'Unites)

4. II Aktivität Definition: Die Aktivität A (oder Präparatstärke) einer radioaktiver Substanz ist die Anzahl der Umwandlungen pro Zeitintervall l = Zerfallskonstante N = Anzahl der Atome Einheit: 1 s-1 = 1 Bq (Becquerel) Erinnerung: 1 Bq für statistische Vorgänge; 1 Hz für periodische Vorgänge Bis 1985 gebräuchlich: 1 Curie (Ci) = 37 GBq = 3,7 1010 Zerfälle pro Sekunde = Aktivität von 1 g Radium -226 Lebende Person: A = 7,5 kBq

5. Definition: Spezifische Aktivität a = A/mn mn = Masse der radioaktiven Substanz Mit M = Molmasse und NA = Avogadro-Konstante folgt

6. Berechnung der spezifischen Aktivität eines Isotopengemisches mges = Gesamtmasse Anzahl der aktiven Nukliden Naktiv sind mit dem Anreicherungsfaktor a in der Gesamtzahl der Atome vorhanden.

7. III Strahlendosis Bei der Wechselwirkung von radioaktiver Strahlung mit Materie wird auf de Materie Energie übertragen, die dann stufenweise in andere Energieformen umgewandelt wird. Meist entstehen geladene Teilchen mit hoher kinetischer Energie Die kinetische Energie geht über in Anregung von Atomen und Molekülen Ionisierung Chemische Prozess Wärme Bremsstrahlung

8. Man unterscheidet zwei Arten von ionisierender Strahlung: Direkt ionisierende Strahlung: geladene Teilchen: Elektronen, Positronen, Protonen, a-Teilchen, Ionen unmittelbare Wechselwirkung -->kurze Reichweite Indirekt ionisierende Strahlung: ungeladene Teilchen: Photonen, Neutronen geringe Wechselwirkung -->lange Reichweite Die Dosis beschreibt die Wirkung der ionisierenden Strahlung auf Materie

9. Definition: Energiedosisleistung a) Energiedosis Definition: Die Energiedosis D gibt an, wieviel Energie dW aus der ionisierenden Strahlung von einem Massenelement dm der bestrahlten Materie absorbiert wird Homogene Materie: m = r dV. r = Dichte, dV = Volumenelement Einheit: 1 Gy ( = 1 Gray ) = 1 J/kg Bis 1985: 1 rad (radiation absorbed dose) = 10-2 J/kg

10. Kerma K (Kinetic energy released in material) Für indirekt ionisierende Strahlung dEK = Summe der Anfangswerte von EKin aller geladener Teilchen Spezifische g-Dosisleistungskonstante Für die Dosisleistung einer punktförmigen g-Strahlungsquelle der Aktivität gilt im Abstand r:

11. Definition: Ionendosisleistung Zusammenhang zwischen Energiedosis D und Ionendosis J: Eion = mittlerer Energieaufwand zur Erzeugung eines Elektron-Ion-Paares in Normal-Luft = 33,7 eV Uion = mittlere Ionisationsspannung ( = 33,7 V) b) Ionendosis Definition: Die Ionendosis J gibt an, wieviel elektrische Ladungen dQ (eines Vorzeichens) pro Masseneinheit dmL in Luft unter Normalbedingung durch die Strahlung erzeugt wird Einheit: 1 C/kg = 1 As/kg Bis 1985: 1 R (Röntgen) = 2,58 10-4 C/kg

12. Lineares Energieübertragungsvermögen (LET) a-Strahlung g-Strahlung

13. Die Definition lautet nach DIN 6814-2 (sinngemäß): Der Lineare Energietransfer (LET) geladener Teilchen in einem Medium ist der mittlere Energieverlust dE auf den Weg ds, den das Teilchen durch Stöße erleidet, bei denen der Energieverlust kleiner als eine vorgegebene Energie D ist: Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung hängt nicht nur von der Energiedosis sondern auch von der mikroskopischen Verteilung der Dosis ab. Das lineare Energieübertragungsvermögen gibt an, wie viel Energie von direkt ionisierender Strahlung lokal auf das Medium übertragen wird. Einheit: J/m, eV/m, eV/m, eV/µm L50 bedeutet: D = 50 eV LET (L) in Wasser und Bewertungsfaktor q nach Anhang XIV Strahlenschutzverordnung

14. Definition: Äquivalentdosisleistung c) Äquivalentdosis Definition: Die Äquivalentdosis Dq ergibt sich aus Energiedosis D und dem Bewertungsfaktor (Qualitätsfaktor) q mittels Dq = q D Einheit: 1 Sv (Sievert) = 1 J/kg Bis 1985: 1 rem (= 1 röntgen equivalent man) = 10-2 J/kg

16. Letaldosis LD50/30: Innerhalb von 30 Tagen sterben 50% der bestrahlten Lebewesen Wärmekapazität von Wasser: c = 4,187 J K-1 g-1 Eine Energiezufuhr von 4,5 J/kg führt zu einer Temperaturerhöhung von DT = 1,07 10-3 K

18. Der Reparaturmechanismus Einzelstrangbrüche nach g-Bestrahlung sind nach 10 - 20 min repariert Intakte Zellen können pro Minute ~ 300 Einzelstrangbrüche reparieren Reparaturaktivität wird durch Strahlung (b, g) gesteigert Fehlerrate: ~ 1 : 1011

19. Neues Konzept der Dosisgrößen im Strahlenschutz Bei der biologischen Strahlenwirkung unterscheidet man u.a. zwischen stochastischer und nichtstochastischer Strahlenwirkung: • Stochastische Strahlenwirkungen sind solche, bei denen die Eintritts-wahrscheinlichkeit (nicht der Schweregrad) als Funktion der Dosis betrachtet wird; ein Schwellenwert existiert nicht • Nichtstochastische Strahlenwirkung sind solche, bei denen der Schweregrad mit der Dosis variiert und für die ein Schwellenwert bestehen kann.

20. Zu den stochastischen Wirkungen in dem für den Strahlenschutz relevanten Dosisbereich zählt z.B. die genetische Wirkung, die mit der Krebsentstehung verbunden ist. Nichtstochastische Strahlenwirkungen treten aufgrund der Maßnahmen des Strahlenschutzes kaum mehr auf. Ein Beispiel für nichtstochastische Wirkung ist die Trübung der Augenlinse. Das von der ICRP empfohlene System der Dosisgrenzwerte ist abgestellt auf ein Verhinderung der nichtstochastischen Effekte (wird durch Dosisgrenzwerte erreicht, die unterhalb der Schwellenwerte der Reaktionen liegen) und auf eine Begrenzung der Wahrscheinlichkeit der stochastischen Effekte auf ein annehmbares Maß.

21. Die neue Strahlenschutzverordnung unterscheidet bei den Dosisgrößen zwischen Körperdosen und Äquivalentdosen. • Körperdosen (Organdosis, effektive Organdosis) sind Schützgrößen, für die z.B. personenbezogenen Jahresgrenzwerte festgelegt sind. Diese Dosen berechnen sich aus der Energiedosis mit Hilfe des Strahlungs-Wichtungsfaktors wR. • Äquivalentdosen sind Messgrößen (operative Größen) in der Orts- und Personendosimetrie. Sie werden aus der Energiedosis mit Hilfe des Qualitätsfaktors Q berechnet.

22. Schadenserwartung und Strahlenrisiko für stochastische Wirkung Die Schadenerwartung G bei der Strahlenexposition einer Gruppe von N Personen schreibt sich als: Hierbei bedeuten: • gT einen Wichtungsfaktor, der den Schweregrad der Strahlenwirkung im Organ T berücksichtigt: gT = 0 bedeutet „harmlos“ und gT = 1 „höchste Gefährlichkeit“. Da es hier um Schutzmaßnahmen geht, wird für stochastische Strahlenwirkungen pessimistisch gT = 1 angenommen. • pT die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer bestimmten nachteiligen Strahlenwirkung an dem Organ oder Gewebe T. Bezogen auf eine Einzelperson ist pT das Strahlenrisiko der Person für die betreffende Wirkung.

23. Risikogewebe sind diejenigen Organe oder Gewebe, deren Strahlenrisiken für die Begrenzung der Strahlenexposition von innen oder außen in Betracht gezogen werden müssen. Als Risikokoeffizient (oder Risikofaktor) rT für die Krebserkrankung eines Organs oder Gewebes T bezeichnet man den Quotienten aus Strahlenrisiko pT durch die Äquivalentdosis HT rT = pT/HT Mit wird das stochastische Gesamtrisiko berechnet. Der Wichtungsfaktor wT der einzelnen Organe oder Gewebe ergibt sich dann zu wT = rT/R. Um die Wahrscheinlichkeit abzuschätzen, dass die Bestrahlung eines Organs T mit einer niedrigen Dosis HT Todesursache wird, gibt die Internationale Strahlenschutzkommission (ICRP) Risiko-Koeffizienten rT (in 10-4 pro Sievert) an, mit denen die Äquivalent-Dosis zu multiplizieren ist.

25. Körperdosis Die Ganzkörperdosis HG ist der Mittelwert der Äquivalentdosis über Kopf, Rumpf, Oberarme und Oberschenkel bei einer als homogen angesehenen Strahlenexposition des Körpers. Die Teilkörperdosis HT ist der Mittelwert der Äquivalentdosis in einem Körperteil, in einem Organ oder Teil eines Organs, im Fall der Haut der über die bestrahlte Fläche gebildete Mittelwert. Die effektive Folgedosis Eist die gewichtete Summe aller Teilkörperdosen HT, sie wird häufig auch nur effektive Dosisoder effektive Strahlendosisgenannt.

26. Operative Größen für die Dosis-Messung Die oben eingeführte effektive Folgedosis ist eine Körperdosis und somit nicht direkt messbar. Da sie aber zur Festlegung der gesetzlichen Dosisgrenzwerte dient, müssen stellvertretende einfache Messgrößen definiert werden, die sich dazu eignen a) die Einhaltung der Dosisgrenzwerte anzuzeigen und b) bei Bedarf einen Schätzwert der effektiven Äquivalentdosis zu gewinnen. Als ein vereinfachtes Phantom zur Gewinnung von Schätzwerten der in einem Körper erzeugten Dosen wurde die ICRU-Kugel gewählt. Sie ist eine Kugel von 30 cm Durchmesser aus weichgewebsäquivalentem Material der Dichte 1 g/cm3 und einer Massenzusammensetzung aus 76,2 % Sauerstoff, 11,1 % Kohlenstoff, 10,1 % Wasserstoff und rund 2,6 % Stickstoff.

27. Im Hinblick auf die unterschiedlichen Dosiswerte für die Haut und die tieferliegenden Organe wird unterschieden zwischen • durchdringender Strahlung, bei der die von einer kleinen Fläche der Keimschicht der Haut (vereinbarte Tiefe 0,07 mm) erhaltene Äquivalentdosis weniger als das Zehnfache der effektiven Äquivalentdosis beträgt • und • Strahlung von geringer Eindringtiefe, wenn diese Hautdosis mehr als das Zehnfache der effektiven Äquivalentdosis beträgt. Die neuen Messgrößen H’ und H* sind auf die ICRU-Kugel bezogenen Äquivalent-Messgrößen, die keine Beschränkung auf bestimmte Energiebereich enthalten. Sie sind auf beliebige Kombinationen gleichzeitig auftretender Strahlungsarten anwendbar. Die Festlegung bestimmter Bezugstiefen (10 mm und 0,07 mm) gibt den Dosiswerten die Bedeutung von Schätzwerten der effektiven Äquivalentdosis und der Teilkörperdosen tiefliegender Organe und Gewebe.

28. Die Richtungs-Äquivalentdosis H’(d) am interessierenden Punkt im tatsächlichen Strahlungsfeld ist die Äquivalentdosis, die in dem entsprechenden aufgeweiteten Strahlungsfeld auf einen festgelegten Radius der ICRU-Kugel in der Tiefe d der ICRU-Kugel erzeugt würde. • Die Umgebungs-Äquivalentdosis H*(d) am interessierenden Punkt im tatsächlichen Strahlungsfeld ist die Äquivalentdosis, die in dem entsprechenden ausgerichteten und aufgeweiteten Strahlungsfeld in der Tiefe d der ICRU-Kugel erzeugt würde. Mit Hilfe der neuen Größen H’(d) und H*(d) werden die Begriffe Orts- und Personendosen präzisiert:

29. Als Ortsdosis gilt bei durchdringender Strahlung die Umgebungs-Äquivalentdosis H*(10), bei Strahlung geringer Eindringtiefe die Richtungs-Äquivalentdosis H’(0,07). Als Personendosis HP gilt der Messwert eines Personendosimeters, das auf der Oberfläche eines geeigneten Phantoms bei durchdringender Strahlung zur Messung der Richtungs-Äquivalentdosis H’(10), bei Strahlung geringer Eindringtiefe zur Messung der Richtungs-Äquivalentdosis H’(0,07) kalibriert wurde. Durch diese Definition wird erreicht, dass der Messwert des Personendosimeters die Äquivalentdosis näherungsweise angibt, die im Körper des Trägers in den Tiefen d = 10 mm bzw. d = 0,07 mm unter der Tragestelle an der Körperoberfläche erzeugt wird. Falls gleichzeitig durchdringende Strahlung und Strahlung geringer Eindringtiefe in Betracht kommen, besteht die Angabe der Personendosis aus dem Wertepaar H’(10) und H’(0,07); anderenfalls ist nur einer der beiden Werte anzugeben.

30. Zusammenfassung