PowerPoint-Präsentation - Technische Universität Kaiserslautern

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)
  3Z3
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