Größen und Einheiten er Strahlenschutzmesstechnik

Größen und Einheiten der
Strahlenschutzmesstechnik
Dr. Hans-Jochen Foth
Fachbereich Physik
Technische Universität Kaiserslautern
Inhalt:
I
SI-Einheiten
II
Aktivität
III
Strahlendosis
a) Energiedosis
b) Ionendosis
c) Äquivalentdosis
d) Ganzkörperdosis
e) Teilkörperdosis
f) effektive Folgedosis
I
SI-Einheiten
(Système International d'Unites)
Basisgröße
Einheit
Zeichen
Definition
Länge
Meter
m
c = 299 792 458 m/s (Lichtgeschwindigkeit)
Zeit
Sekunde
s
133Cs,
Masse
Kilogramm
kg
Kilogrammprototyp
elektrische
Stromstärke
Ampere
A
L = , D = 1 m --> F = 2 10-7 N (Theorie)
von-Klitzing-Effekt (Praxis)
Thermodyn.
Temperatur
Kelvin
K
absoluter Nullpunkt
Tripelpunkt von Wasser: 273,16 K
Stoffmenge
Mol
mol
Lichtstärke
Candela
cd
Hfs-Übergang, Dn = 9,192 631 77 GHz
II
Definition:
Aktivität
Die Aktivität A (oder Präparatstärke) einer radioaktiver
Substanz ist die Anzahl der Umwandlungen pro Zeitintervall
dN
A N
dt
Einheit:
1 s-1 = 1 Bq
 = Zerfallskonstante
N = Anzahl der Atome
(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
Definition:
Spezifische Aktivität a = A/mn
mn = Masse der radioaktiven Substanz
Mit M = Molmasse und NA = Avogadro-Konstante folgt
a
A
N
 mn
N
ln 2 N A



 NA    A 

mn
mn
mn M
M
t1 2 M
Berechnung der spezifischen Aktivität eines Isotopengemisches
a* 
A
m ges
mges = Gesamtmasse
Anzahl der aktiven Nukliden Naktiv sind mit dem Anreicherungsfaktor a in
der Gesamtzahl der Atome vorhanden.
a *  a 
NA
ln 2 N A
 a

M
t1 2 M
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
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
a)
Definition:
Energiedosis
Die Energiedosis D gibt an, wieviel Energie dW aus der
ionisierenden Strahlung von einem Massenelement dm
der bestrahlten Materie absorbiert wird
dW
D
dm
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
Definition:
Energiedosisleistung
dD

D
dt
Spezifische g-Dosisleistungskonstante
Für die Dosisleistung einer punktförmigen g-Strahlungsquelle der Aktivität gilt im
Abstand r:
  k A
D
r2
Kerma K (Kinetic energy released in material)
dE K
Für indirekt ionisierende Strahlung
dm
dEK = Summe der Anfangswerte von EKin aller geladener Teilchen
K
b)
Ionendosis
Definition:
Einheit:
Die Ionendosis J gibt an, wieviel elektrische Ladungen
dQ (eines Vorzeichens) pro Masseneinheit dmL in Luft
unter Normalbedingung durch die Strahlung erzeugt wird
dQ
J
dm L
1 C/kg = 1 As/kg
Bis 1985:
1 R (Röntgen) = 2,58 10-4 C/kg
Definition:
Ionendosisleistung
dJ
J 
dt
Zusammenhang zwischen Energiedosis D und Ionendosis J:
D
E ion  dQ
 U ion  J
e  dm
Eion =
mittlerer Energieaufwand zur Erzeugung eines Elektron-Ion-Paares
in Normal-Luft = 33,7 eV
Uion =
mittlere Ionisationsspannung ( = 33,7 V)
Lineares Energieübertragungsvermögen (LET)
g-Strahlung
a-Strahlung
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.
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:
 dE 
LET  L D   
 ds  D
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
Strahlungsart
L(keV/µm)
q
Elektronen, Photonen
< 3,5
1
a, p, d, n
(je nach Energie)
3,5 - 7,0
7 - 23
23 - 53
53 - 175
1-2
2-5
5 - 10
10 - 20
c)
Definition:
und
Äquivalentdosis
Die Äquivalentdosis Dq ergibt sich aus Energiedosis D
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
Definition:
Äquivalentdosisleistung
  dD q
D
q
dt
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
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
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.
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.
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.
Schadenserwartung und Strahlenrisiko
für stochastische Wirkung
Die Schadenerwartung G bei der Strahlenexposition
einer Gruppe von N Personen schreibt sich als:
G N  gT pT
T
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.
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.
Gewebe oder Organ
rT (ICRP 1977)
rT (ICRP 1991)
wT
-
10
0,20
20
50
0,12
-
85
0,12
Lungen
20
85
0,12
Magen
-
110
0,12
Blase
-
30
0,05
Brust
25
20
0,05
Leber
-
15
0,05
Speiseröhre
-
30
0,05
Schilddrüse
5
8
0,05
Haut
-
2
0,01
Knochenoberfläche
5
5
0,01
übrige Organe
50
50
0,05
Summe
125
500
1,00
Keimdrüsen
(Eierstöcke)
Knochenmark (rot)
Dickdarm
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 E ist die gewichtete Summe aller
Teilkörperdosen HT, sie wird häufig auch nur effektive Dosis oder
effektive Strahlendosis genannt.
E
w
T
T
 HT
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.
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.
•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:
Als Ortsdosis gilt bei durchdringender Strahlung die UmgebungsÄquivalentdosis 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 RichtungsÄquivalentdosis 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.
Zusammenfassung
Zeichen
Einheit SI Einheit (Umrechnung)
alt
Ionendosis
J
As/kg
R (1 R = 2,58 104 As/kg)
Energiedosis
D
Gy
rd (1 Gy = 100 rd)
Äquivalentdosis
H
Sv
rem (1 Sv = 100 rem)
effektive Strahlendosis
E
Sv
rem (1 Sv = 100 rem)
Ionendosisleistung
A/kg
Energiedosisleistung
J

D
Äquivalentdosisleistung
H
Sv/s
effektive
Strahlendosisleistung
E
Sv/s
Watt/kg