PowerPoint-Präsentation - Technische Universität Kaiserslautern
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TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) 2.6 Röntgenstrahlung Ionisierende Strahlung entsteht entweder, wie in den vorangehenden Abschnitten geschildert, durch die verschiedenen Arten von Radioaktivität oder wird gezielt (Röntgenstrahl–, Beschleunigerquellen) bzw. ungewollt (Störstrahler) in Anlagen mit beschleunigten Ladungen bis hin zu superheißen Plasmen (Sternen) erzeugt. Die Röntgenstrahlung wurde 1895 durch Röntgen bei Arbeiten über Eigenschaften von Kathodenstrahlen entdeckt und X–Strahlen (heute noch engl.: X–ray) genannt. Erst 1912 wurde von v. Laue, Friedrich und Knipping durch Beugung der Strahlen an Kristallen nachgewiesen, dass es sich bei der Röntgenstrahlung um elektromagnetische Wellen handelt. Eigenschaften und Wirkung der Röntgenstrahlen sind identisch mit denen von –Strahlung gleicher Energie, beide Strahlungsarten unterscheiden sich nur durch ihren Ursprung. Während Röntgenstrahlung bei Übergängen der Hüllen–Elektronen des Atoms (charakteristische Röntgenstrahlung) oder durch unelastische Wechselwirkung geladener Teilchen mit dem Coulombfeld der Kerne (Bremsstrahlung) ausgesendet wird, entsteht –Strahlung bei Übergängen zwischen verschiedenen Kernzuständen. Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Röntgenstrahlen bzw. Röntgenphotonen besitzen typischerweise: · · Energien: Wellenlängen: Frequenzen: 100 eV < E(Rö) < 500 keV 10–8 m > (Rö) > 3 10–12 m 3 1016 s–1 < (Rö) < 1020 s–1 Mit Beschleunigern kann heute jedoch Röntgenstrahlung mit Energien erzeugt werden, die die der –Strahlung weit übertreffen kann. Gemäß der Maxwell’schen Theorie erzeugt die Abbremsung (dE/dt konst) von geladenen Teilchen (z. B. Elektronen) elektromagnetische Strahlung. Werden z. B. Elektronen mit einer Spannung von ca. 50 kV auf ein Target–Anoden–Material beschleunigt, so werden diese primären Elektronen im Coulombfeld der Kerne des Anodenmaterials auf einer sehr kurzen Strecke von ca. 10–6 m = 1 m abgebremst und dabei sog. Röntgenbremsstrahlung erzeugt. Röntgenbremsstrahlung besitzt ein kontinuierliches Wellenlängen– bzw. Energiespektrum, die kurzwellige Grenze entspricht der Abbremsung der Primärelektronen in einem Schritt. min = h c = . Ekin e – 12,4 10 – 10 m URö in kV Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Schematischer Aufbau einer Röntgenröhre Der überwiegende Teil der Energie des Primärelektrons wird in Stoß– bzw. Wechselwirkungsprozessen mit kleinem Energieübertrag, d. h. letztlich in Wärme umgesetzt . Es gilt: E(hνRö) < 1% (Ekin (e-)) Kühlung der Anode ist sehr wichtig! Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Spektrale Verteilung und Intensität der Röntgenbremsstrahlung als Funktion der Röhrenspannung und des Targetmaterials: I ges = min 2 I d = konst. I Rö Z An U Rö Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Schematische Darstellung der Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung und typisches Röntgenemissionsspektrum für eURö > EIon(K-Schale) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Schwächung von Röntgenstrahlung I = Io exp (–d) µ = Massenschwächungskoeffizient Schwächungsgesetz Prinzipielles Absorptionsverhalten (abgesehen von sog. Absorptionskanten) 3Z3 bzw. Z3 1 / E3 Röntgenstrahlungs-“Härte“ = Durchdringungsfähigkeit = große Energie Halbwertsdicke d1/2 „Hundertsteldicke“d1/100 für bestimmte Absorbermaterialien und Röntgenlinien (s. Tabelle im Kompendium) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Störstrahler Als Störstrahler werden Geräte, Anlagen oder Vorrichtungen bezeichnet, in denen Röntgenstrahlen unerwünscht erzeugt werden (oft durch Sekundäreffekte). z.B. Fernsehgerät (Braunsche Röhre), Computermonitor, Elektronenmikroskop, aber auch die wesentlich problematischeren Teilchenbeschleuniger Der Strahlenschutz betreffend Röntgenstrahlen, d. h. Schutz vor deren ionisierender und dissoziierender Wirkung, ist völlig identisch mit dem Schutz vor –Strahlung. Es existiert jedoch ein ganz wesentlicher Vorteil: Röntgen – und auch Störstrahlung ist abschaltbar !! D. h. der Strahlenbelastung sind Personen nur für den Zeitraum ausgesetzt, in dem die Anlage wirklich betrieben werden muss und das sind oft nur kurze Zeitintervalle. Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) 3. Strahlenmesstechnik 3.1 Aktivität und Quellstärke In der Strahlenmesstechnik werden sowohl die Strahlenquellen (das Strahlungsfeld), als auch die Wirkung der Strahlung auf Materie mit objektiven physikalischen Größen wie z. B. Aktivität und Dosis beschrieben. Die Einheiten, in denen die Größen anzugeben sind, wurden vor einigen Jahren neu festgelegt, so dass heute offiziell nur noch Einheiten zulässig sind, die sich direkt aus den SI–Basiseinheiten ableiten lassen Die Aktivität A (oder Präparatstärke) einer radioaktiven Strahlungsquelle ist die Anzahl der radioaktiven Zerfallsereignisse pro Zeiteinheit in der Substanz der Quelle. A = – dN = N = ln 2 N TH dt N = Anzahl der umwandelbaren Atomkerne, = Zerfallskonstante, TH = Halbwertszeit Einheit der Aktivität: 1 Bq (= 1 Becquerel) = 1 s–1, (alt: 1Ci = 3,7 x 1010 Bq) Quellstärke = Aktivität, die aus der Quelle wirklich austritt! Für StrlSch relevant! Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) 3.2 Verschiedene Begriffe der Dosis und Dosisleistung Durch das Einwirken von radioaktiver Strahlung auf Materie wird auf die Materie Energie übertragen, die u.a. zur Dissoziation von Molekülen und besonders zur deren Ionisierung führt. Historisch wird zwischen direkt ionisierender Strahlung, die aus geladenen Teilchen (z. B. Elektronen, –Teilchen) besteht und aufgrund ihrer unmittelbaren (direkten) Wechselwirkung nur eine kurze Reichweite in Materie besitzt (hohe Ionisationsdichte) und indirekt ionisierender Strahlung, die aus elektrisch neutralen Teilchen (Neutronen) oder elektromagnetischer Wellenstrahlung (Photonen– = – oder Röntgenstrahlung) besteht. Natürlich können insbesondere Photonen direkt ionisieren, allerdings ist ihre Wechselwirkung mit Materie gering und ihre Reichweite in Materie größer. Ihre Ionisationswirkung erfolgt überwiegend indirekt über photoionisierte Elektronen, die fast die gesamte Photonenenergie (abzüglich Ionisationsenergie) übertragen bekommen und ihrerseits eine direkte Ionisation durchführen. Die Wirkung der Strahlung auf Materie ist natürlich dem Betrag der absorbierten Energie proportional, aber auch von der Art und Weise (Dichte) des Energieübertrages. Die Wirkung der Strahlung durch Energieübertrag, Ionisationsmenge, Energie– bzw. Ionisationsdichte wird mit verschiedenen Dosisbegriffen beschrieben. Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) 3.3 Energiedosis und -Dosisleistung Energiedosis D = Energieeintrag dE pro Masseelement dm D = dE / dm bzw. bei homogenem Material D = dE / dV = Dichte, dV = Volumenelement Einheit der Energiedosis: 1 Gy (= 1 Gray) = 1 J kg–1 Energiedosisleistung D ˙: ˙ = dD / dt D (Einheit: Gy s–1) In der Praxis ist die Beziehung zwischen der Ursache (Präparat der Aktivität A) und der Wirkung (Dosis / Dosisleistung) von Interesse. Für punktförmige Quellen gilt: ˙ ≈ A / r2 D ˙ = k A / r2 D ˙ k = γ -Dosisleistungskonstante Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) 3.4 Äquivalentdosis und -Dosisleistung Wirkung ionisierender Strahlung auf biologisches Material absorbierte Energiebetrag bzw. die Energiedosis reicht nicht aus! Es muss berücksichtigt werden, wie die Energie auf das biologische Material (Gewebe) übertragen wird. H = Q D oder H = RBW D oder H = wR D H = Äquivalentdosis ( Einheit:1 Sv (= 1 Sievert) = 1 J kg–1 Q = Qualitätsfaktor oder relative biologische Wirksamkeit (RBW) wR = Strahlungswichtungsfaktor Die Äquivalentdosis ist eine radiologisch bewertete Energiedosis ! . Äquivalentdosisleistung : H = Q dD/dt Einheit: Sv s–1 = W kg–1 Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Der Qualitätsfaktor bzw. die relative biologische Wirksamkeit von absorbierter Strahlung hängt letztlich von der Energiedichte ab, mit der Strahlungsenergie in Gewebe deponiert wird. Als charakteristische Größe dafür gilt der sog. Lineare Energietransfer LET. Der LET oder oder das lineare Energieübertragungsvermögen gibt an, wieviel Energie von ionisierender Strahlung lokal (pro Längeneinheit) auf das Medium übertragen wird. Der Lineare Energietransfer (LET) geladener Teilchen in einem Medium ist der Quotient aus dem mittleren Energieverlust dE, den das Teilchen durch Stöße erleidet, bei denen der Energieverlust kleiner als eine vorgegebene Energie ist, und dem dabei zurückgelegten Weg des Teilchens ds: LET = L = dE ds = 50 eV L50 Zwar klare Korrelation Q ~ LET, aber der Qualitätsfaktor Q oder Strahlungswichtungsfaktor wR wird letztlich gesetzlich festgelegt, i.d.R. auf einen Wert! z.B. wR/Q = 1 für e- und Photonen, obwohl LET = f(E) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Abhängigkeit des Qualitätsfaktors Q geladener Teilchen von ihrer kinetischen Energie E ( Anlage XIV, StrlschV) a a: Elektronen, Röntgen–, Gammastrahlung, b: Myonen, c: –Mesonen, d: K–Mesonen, e: Protonen, f: Deuteronen, g: Tritonen, h: 3He–Ionen, i a ii: –Teilchen Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Strahlungsart LET keV/µm Q /wR Photonen < 3,5 1 Elektronen < 3,5 1 Protonen 5 - 100 (f(E)) 5 -Teilchen 100 - 200 (f(E)) 20 Neutronen 50 - 250 (f(E)) 5-20 schwere Kerne sehr groß 20 Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) 3.5 Neues Konzept der Dosisgrößen im Strahlenschutz Die neue StrlschV unterscheidet bei den Dosisgrößen zwischen Körperdosen (Organdosis, effektive Dosis) als Schutzgrößen, für die z. B. personenbezogene Jahresgrenzwerte festgelegt sind, und Äquivalentdosen als Messgrößen (operative Größen) in der Orts– und Personendosimetrie Alle diese Größen sind radiobiologisch bewertete Energiedosen Den beiden Größengruppen liegen jedoch unterschiedliche Konzepte der radiobiologischen Bewertung (und i.d.R. die Verwendung verschiedene Messverfahren/-geräte) zugrunde: Für die Schutzgrößen ist dies der Strahlungswichtungsfaktor wR, für die Messgrößen der Qualitätsfaktor Q. Für Photonen und Elektronen sind wR und Q vereinbarungsgemäß 1. Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) 3.6 Körperdosisgrößen/Schutzgrößen Im praktischen Strahlenschutz interessiert i. d.R. nur das Risiko sog. stochastischer Effekte (z.B. das Krebsrisiko). Das Auftreten derartiger Effekte ist sowohl von der Art des bestrahlten Gewebes, als auch von der Art der Strahlung (Photonen, –, –Teilchen etc.) als auch von den Umständen der Bestrahlung (Dosisleistung, zeitliche Verteilung etc.) abhängig Die Organ-(Äquivalent-)Dosis ist die mit dem Strahlungswichtungsfaktor wR für die Strahlenart R gewichtete mittlere Energiedosis DT, R in einem Organ T. HT = wR DT,R ( Einheit: 1 Sv (Sievert) = 1 J kg–1) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Die effektive Dosis E ist die Summe der jeweils mit dem Gewebewichtungsfaktor wT für das Organ T. gewichteten Organ–(Äquivalent–)Dosen HT E = wT HT = wT wR DT, R T T R Die effektive Dosis E ist eine auf den ganzen Körper bezogenen Größe und kann sowohl bei homogener Exposition des gesamten Körpers als auch bei einer Teilkörperexposition in gleicher Weise in Beziehung zum Strahlenrisiko gesetzt werden. Sie ist deshalb eine geeignete Größe bei der Angabe von Grenzwerten bei Strahlenexpositionen. Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Art der Strahlung Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Photonen,alle Energien Strahlungswichtungsfaktor wR 1 Elektronen,alle Energien 1 Neutronen, energieabhängig 5 - 20 Protonen, E > 2 MeV 5 -Teilchen, schwere Kerne 20 Gewebe oder Organe Gewebe-Wichtungsfaktor wT Keimdrüsen (Gonaden) 0,20 Knochenmark, Dickdarm, Lunge, Magen je 0,12 Blase, Brust, Leber,Speiseröhre,Schilddrüse je 0,05 Haut, Knochenoberfläche je 0,01 alle restliche Organe oder Gewebe 0,05 Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Mess-/operative Größen für die Dosismessung Körperdosen sind in der Regel nicht messbar, da sie als Mittelwerte über Organe und Gewebe in Personen definiert sind. Um eine Aussage über die Körperdosen strahlenexponierter Personen machen zu können, führt man für extern einfallende Strahlung zusätzlich Größen ein, die einerseits messbar und andererseits unter realistischen Expositionsbedingungen eine Abschätzung für die Körperdosen liefern können. Ortsdosis-Messgrößen (Messgerät): Umgebungs–Äquivalentdosis H*(10) Richtungs–Äquivalentdosis H'(0,07, ) Personendosis-Messgrößen (Personendosimeter): Tiefen-Personendosis Oberflächenpersonendosis Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Aufbau und Funktion von Strahlungsmessgeräten Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07
