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Wirkungen ionisierender Strahlung auf den Menschen
• Erfahrungen in der Geschichte: Wirkungen ionisierender Strahlung beim Menschen
→
Strahlenexposition im Bergbau
→ Strahlenexposition in der Industrie z.B. Knochentumore durch Ra-226 bei Ziffernblattmalerinnen
→ Strahlenexposition in der Medizin z.B. Leukämie bei Röntgenärzten
→ Strahlenexposition in der Forschung z.B. Unfall bei Bestimmung von kritischer Masse des Pu
→ Strahlenexposition durch Atombomben z.B. Hiroshima und Nagasaki
→ Strahlenexposition nach Unfällen z.B. Sellafield, Brasilien, Tschernobyl, usw.
• Begriffe Strahlenexposition
• Dosis: Wirkung ionisierender Strahlung
• Energiedosis (Absorbed Dose)
• Energiedosis - Ionendosis
Quantifizierung der Strahlenexposition: Dosisbegriffe
• Äquivalentdosis
• Effektive Dosis
• Dosis - Wirkung ionisierender Strahlung
• Inkorporation und Dosiskoeffizient
• Strahlenexposition des Menschen
Erfahrungen in der Geschichte:
Wirkungen ionisierender Strahlung beim Menschen
• Strahlenexposition im Bergbau
1556
Georgius Agricola in "De Re Metallica"
Beschreibung der Arbeitsbedingungen im Bergbau bei Joachimsthal
 Bergsucht
1770
C. L. Scheffler, Bergphysikus, Annaberg:
beschreibt Symptome der Bergsucht und gibt Ursachen an:
 Einatmen von arsenhaltigem Staub und "bösen Schwaden"
1879
F. H. Härting, W. Hesse,
diagnostizieren Bergkrankheit als "Schneeberger Lungenkrebs"
etwa zur gleichen Zeit in Joachimsthal:
ähnliche Erfahrungen, aber es fällt auf, in Gruben außer halb des
Erzgebirges mit arsenhaltigem Staub tritt Erhöhung der Lungenkrebshäufigkeit nicht auf.
Erfahrungen in der Geschichte:
Wirkungen ionisierender Strahlung beim Menschen
• Strahlenexposition im Bergbau
1929
A. Pirchan, Chefarzt am Joachimsthaler Ra-Institut:
Zusammenhang zwischen Inhalation von Rn- und n-Zerfallsprodukte
haltiger Staub und dem um ca. 15 Jahre verzögertem Auftreten von
Lungenkrebs.
1942
B. Rajewsky, E. Schraub:
endgültige Bestätigung dieses Befundes.
1879
F. H. Härting, W. Hesse (Bergärzte),
diagnostizieren Bergkrankheit als "Schneeberger Lungenkrebs"
Begriffe: Strahlenexposition
Ionisierende Strahlung ist so energiereich, dass sie, wenn sie Materie
trifft, aus den Atomen oder Molekülen, Elektronen aus dem Atom- bzw.
Molekülverband entfernt und dadurch chemische Veränderungen erzeugen
kann.
Die Einwirkung ionisierender Strahlung auf den menschlichen Körper nennt
man Strahlenexposition.
Quelle ionisierender Strahlung außerhalb des Körpers
 äußere oder externe Strahlenexposition
Quelle ionisierender Strahlung im Körper  innere Strahlenexposition.
g-Strahler können innere und äußere Strahlenexposition verursachen.
niederenergetische b-Strahler verursacht im wesentlichen innere Strahlenexposition.
a-Strahler verursacht praktisch nur innere Strahlenexposition.
Dosis - Wirkung ionisierender Strahlung
ionisierende Strahlung, die ohne physikalische Wechselwirkung ein
Objekt durchdringt, kann in diesem keine Änderung verursachen
Physikalische Phase der Strahlenwirkung
► Übertragung von Energie
► Bildung von Ionen
Aufgabe der Dosimetrie:
Entwicklung von Methoden zur Messung der Dosis
 bei radioaktiven Stoffen: Radioanalytische Methoden
Dosiskonzept
Schematische Darstellung der schädlichen Auswirkungen ionisierender
Strahlung auf den Menschen.
Übertragung der Strahlungsenergie auf Atome und Moleküle
ß
Bildung von chemischen Verbindungen im Körper (z. B. Radikale, Zellgifte)
ß
Veränderung von Biomolekülen
ß
Veränderung des Zellstoffwechsels (Schädigung der Zelle)
Reparatur durch körpereigene Mechanismen
Zelltod
fehlerhaft
fehlerfrei
Krebs, Mißbildungen
Tod des Menschen
bei großer Dosis:
³ einige Sv
Keine feststellbaren Auswirkungen
bei £ 0,4 Sv
Tod des Menschen
keine Auswirkungen
Quantifizierung der Strahlenexposition: Dosisbegriffe
Definition der Energiedosis (Absorbed Dose):
"Absorbed dose of any ionizing radiation is the energy imparted to matter
by ionizing particles per unit mass of irradiated material at the place
of interest." ICRU 1957.
"Die absorbierte Dosis irgend einer ionisierenden Strahlung ist die Energie,
die an Materie durch ionisierende Teilchen pro Masseneinheit des
bestrahlten Stoffes an der interessierenden Stelle abgegeben wird."
Voraussetzung:
→ die ionisierende Strahlung tritt in homogene Materie ein
→ die ionisierende Strahlung hat eine räumliche konstante spektrale Energiefluenz
→ die Energiedosis ist eine überall eine stetig differenzierbare Funktion nach Raum und Zeit
Energiedosis
WD = Win - Wex + WQ
WD: Die durch ionisierende Strahlung auf das Material
in einem Volumen übertragene Energie
Win: Summe der Energien (ohne Ruheenergien) aller
direkt und indirekt ionisierenden Teilchen, die
in das Volumen eintreten.
Wex: Summe der Energien (ohne Ruheenergien) aller
ionisierenden Teilchen, die aus dem Volumen austreten.
WQ: Summe der Reaktions- und Umwandlungsenergie
aller Kern- und Elementarteilchenprozesse, die in
diesem Volumen stattfinden.
D
dWD
dm
.1
r
.
dWD
dV
Energiedosis
Einheit der Energiedosis
im SI-System:
[D] = 1 J·kg-1 = 1 Gy
(Gray)
im cgs-System:
[D] = 100 erg·g-1 = 1 rd
rd ist abgeleitet von r adiation a bsorbed d ose,
rad
Energiedosis
1 Gy ?
Ist das viel ?
Direkte Messung der Energiedosis ist nur über
Temperaturerhöhung zu bestimmen.
1 Gy bewirkt eine Temperaturerhöhung um 0,0002 °C
LD30,50 = 4 Gy
Ist das viel ? Ja !
Energiedosis - Ionendosis
XS = e·
DL
WL
XS: Ionendosis, bestimmt mit der Standardionisationskammer
DL: Enerigedosis
WL: Energieaufwand pro Ionenpaar in Luft: 33,7 eV
e: Elementarladung; e = 1,602·10-19 As = 1,602·10-19 C
XS = e·
WL
e
Energiedosis - Ionendosis
XS = e·
WL
e
= 33,7 Jkg-1/Ckg-1
= 0,87 rd/R
= 8,7 mGy/R
Äquivalentdosis
HT = SwR· DR,T
R
wR: Wert des Strahlenwichtungsfaktor
Repräsentativ für die relative biologische Wirksamkeit der Strahlung
für die Induktion stochastischer Effekte
Art und Energiebereich
g-Quanten aller Energien
Elektronen und Myonen aller Energien
Neutronen < 10 keV
10 keV bis 100 keV
> 100 keV bis 2 MeV
2 MeV bis 20 MeV
> 20 MeV
Protonen (außer Rückstoßprotonen)
Alphateichen, Spaltfragmente,
schwere Kerne
wR
1
1
5
10
20
10
5
5
20
Effektive Dosis E
E = SwT·H,T
T
wT: beschreibt den relativen Beitrag jedes Organs oder Gewebes zum
gesamten Detriment in bezug zu einer homogenen Bestrahlung
des gesamten Körpers
Effektive Dosis E
Gewebewichtungsfaktoren
(*)
Gewebewichtungsfaktor w T
ICRP 60, 1990 ICRP 26, 1977
Gewebe oder Organ StrlSchVO 2001 StrlSchVO 1989
Gonaden
0,20
0,25
Knochenmark (rot)
0,12
0,12
unterer Dickdarm
0,12
Lunge
0,12
0,12
Magen
0,12
Blase
0,05
Brust
0,05
0,15
Leber
0,05
Speiseröhre
0,05
Schilddrüse
0,05
0,03
Haut
0,01
Knochenoberfläche
0,01
0,03
(**)
Rest
0,05
0,06 (***)
(*)
Die Werte wurden abgeleitet von einer Referenzbevölkerung von gleicher
Anzahl beiderlei Geschlechts und einem großen Altersbereich. In der Definition
der effektiven Dosis werden sie angewandt auf Arbeiter, auf die gesamte
Bevölkerung und auf jedes Geschlecht.
(**)
Für Zwecke von Berechnungen ist der Rest zusammengesetzt aus den folgenden zusätzlichen Geweben und Organen:
Nebennieren, Gehirn, oberer Dickdarm, Dünndarm,
Niere, Bauchspeicheldrüse, Milz, Thymus(drüse),
Gebärmutter
Quantifizierung der Strahlenexposition: Dosisbegriffe
Viele Dosisbegriffe sind für verschiedene Zwecke gebräuchlich.
Für die quantitative und einheitliche Beschreibung der Wirkung ionisierender
Strahlung zur Gewährleistung eines ausreichenden Schutzes der Einzelperson
vor den schädlichen Auswirkungen ionisierender Strahlung verwendet man die
Begriffe Äquivalentdosis als effektive und Organ- bzw. Gewebedosis.
Die Größe „Dosis“ beschreibt das Risiko, an einer strahleninduzierten
Tumorerkrankung zu sterben und genetische Schäden bei den Nachkommen zu verursachen.
Einheit der Äquivalentdosis ist das mSv (milliSievert)
Dosis - Wirkung ionisierender Strahlung
durch 1 Sv effektiver Äquivalentdosis können ca.
540 tödlich verlaufende Tumorerkrankungen bei
10000 bestrahlten Personen verursacht werden.
Grenzwerte der jährlichen Dosis sind einzuhalten
Inkorporation und Dosiskoeffizient
Die Zufuhr von Radionukliden in den menschlichen Körper wird
Inkorporation genannt. Je nach der Weise, wie die Zufuhr zustande kommt
unterscheidet man:

Inhalation, wenn die Zufuhr durch Aufnahme des Radionuklids
mit der Atemluft erfolgt.

Ingestion, bei Zufuhr der Radionuklide mit der Nahrung bzw. dem
Trinkwasser

Zufuhr der Radionuklide über die Wunde (verletzte Haut)
Grenzwerte der jährlichen Dosis sind einzuhalten
Zusammenhang zwischen Aktivitätszufuhr und Dosis
Bei einmaliger Aufnahme gilt:
DE = dEjk Aj
bzw.
DO = dOjk Aj
Die Einheit der Dosiskoeffzienten ist: [d] = 1 SvBq-1
Dosiskoeffizienten
Dosiskoeffizienten / Sv/Bq
Nuklid
Inhalation (5µ AMAD)
effektiv
kritisches Organ
dE
dO
effektiv
dE
3
4,1.10-11
enfällt
4,1.10-11
4,2.10-11
14
5,8.10-10
entfällt
5,8.10-10
5,8.10-10
rotes
Knochenmark
rotes
Knochenmark
40
3,0.10-9
U Dickdarm
9,0.10-9
6,2.10-9
U Dickdarm
1,9.10-8
60
1,7.10-8
Lunge
9,6.10-8
3,4.10-9
1,8.10-8
90
7,7.10-8
Lunge
6,3.10-7
2,8.10-8
U Dickdarm
rotes
Knochenmark
90
1,7.10-9
U Dickdarm
1,3.10-8
2,7.10-9
U Dickdarm
3,1.10-8
137
6,7.10-9
Uterus
6,9.10-9
1,3.10-8
1,4.10-8
226
2,2.10-6
1,7.10-5
2,8.10-7
228
1,7.10-6
Lunge
Knochenoberfläche
3,6.10-5
6,7.10-7
228
2,5.10-5
2,1.10-4
7,2.10-8
232
2,9.10-5
Lunge
Knochenoberfläche
1,5.10-3
2,2.10-7
235
6,1.10-6
ET Luftwege
6,9.10-5
4,6.10-8
238
5,7.10-6
ET Luftwege
Knochenoberfläche
6,5.10-5
4,4.10-8
1,0.10-3
2,5.10-7
Uterus
Knochenoberfläche
Knochenoberfläche
Knochenoberfläche
Knochenoberfläche
Knochenoberfläche
Knochenoberfläche
Knochenoberfläche
H
C
K
Co
Sr(90Y)
Y
Cs
Ra
Ra
Th
Th
U
U
239/240
Pu
3,2.10-5
Ingestion
kritisches Organ
dO
4,1.10-11
5,7.10-10
1,8.10-7
1,2.10-5
2,2.10-5
2,5.10-6
1,2.10-5
7,4.10-7
7,1.10-7
1,8.10-6
Beispiel:
Eine Person inkorporiert durch Inhalation einmalig 1000 Bq 3H.
Welche effektive Dosis erhält die Person ?
DE(3H) = 4,110-11 Sv/Bq1000 Bq 3H
= 4,110-8 Sv = 41 nSv
Vergleich. die natürliche externe Strahlenexposition beträgt ca. 70 nSv/h.
Der ermittelte Dosiswert würde also der natürlichen externen
Strahlenexposition von ca. 50 min entsprechen.
Beispiel:
Welche effektive Dosis und welche Dosis für das kritische Organ bzw. Gewebe
verursacht die einmalige Inhalation von 1000 Bq 232Th (ca. 250 mg 232Th) ?
Lösung:
Effektive Dosis:
DE(232Th) = 2,910-5 Sv/Bq1000 Bq 232Th
= 2,910-2 Sv = 29 mSv
Dosis für das kritische Organ bzw. Gewebe: Knochenoberfläche
DO(232Th) = 1,510-3 Sv/Bq1000 Bq 232Th
= 1,5100 Sv = 1500 mSv
Die Strahlenexposition des Menschen
Größenordnungen und Vergleiche der mittleren effektiven Dosis:
Natürliche Quellen
2,4 mSv pro Jahr (2 bis einige 10mSv pro Jahr)
nur Radon: Normalbevölkerung
1,4 mSv pro Jahr (1 bis einige 10mSv pro Jahr)
Medizinische Quellen
1,5 mSv pro Jahr
Tschernobyl
0,05 mSv pro Jahr
Grenzwert (beruflichStrahlexp.)
20 mSv pro Jahr
Grenzwert (Bevölkerung)
0,3 mSv pro Jahr