Vorlesung Strahlenschutz und Radioökologie - IRS - Leibniz ...

Strahlenschutz und Radioökologie 

C. Walther, IRS, Leibniz Universität Hannover 

Tag 05 Wiederholung Dosimetrie 

C.Walther 

Institut für Radioökologie und Strahlenschutz 

IRS- Institut für 


Vorlesung Strahlenschutz und Radioökologie 

Wiederholung Dosimetrie 

Maßgeblich in allen Zweifelsfällen: 

http://www.icrp.org/docs/P103_German.pdf 

Strahlenschutz und Radioökologie, C. Walther, IRS, Leibniz Universität Hannover Page 1 

Schwächung von Strahlung 

Kollimator Kollimator 

Quelle Detektor 

Quellstärke 

S 

Kollimator 

d 

Absorber 

S 

�( 

d) � � f ( d) 

2 

4� 

� r 

Kollimator 

�(d) 


r 

1




Absorption von Strahlung in Materie 

�(x)/�(0) 

C.Walther 



Atomaufbau 


2




F Coulomb 

Bremsung schwerer geladener Teilchen 

p � 

p� � 

C.Walther 


Hauptsächlich 

Wechselwirkung 

mit Hüll-Elektronen 

Die Richtungsabhängigkeit der 

Coulomb-Kraft bewirkt, dass 

im Wesentlichen transversaler 

Impuls übertragen wird. 


p � 


als Vielfachstreuung 

p� � 

� 

p 

�, 

� 

�E 

� 

�E 

e 

� 

� p 

e 

p 

� 

2� 

m 

2 

�, 

� 

Die Energieerhaltung begrenzt �E e und damit 

die in einem Stoß abgegebene Energie auf 

1/8000-tel der Energie eines Alpha-Teilchens. 

�Die Bremsung schwerer geladener Teilchen 

ist ein Vielfachstreuprozess. 


� 

m� 

� 

� �E 

m 

e 

Impulserhaltung 

2 

pe 

2� 

m� 

� �E 

�Ee 

� � 

2� 

m 2� 

m 

� 

e 

� 8000� 

�E 

� 

e 

� 

3




� 

Die Vielfachstreuung hat wohldefinierte Bahnen 

und Reichweiten schwerer geladener Teilchen in 

Materie zur Folge. 

R � n � 

� 

p 

� 

� 

� p� 

Stoßweglänge 

n � E� 

/ �E 

n ��1000 

C.Walther 




� 

2 4 

dE 4� z e V 

2 k 

� N 2 

ds mev 

dE 

ds 

z 


e 

Bethe-Bloch-Gleichung 

� B 

2 � 2m 

v 

2 c � 

e 

B � Z � �ln 

� ln( 1� 

� ) � � � � 

� I 

Z � 

v 

� � 

c 

I � 11, 

5� 

Z ( eV) 

� Bremsvermögen (stopping power) 

Kernladungszahl des schweren geladenen Teilchens 

me 

Ruhmasse des Elektrons 

v Geschwindigkeit des schweren Teilchens 

V 

N Anzahl der Kerne im Absorber pro cm3 

B Bremszahl (atomic stopping number) 

Z Kernladungszahl des Absorbers 

I mittleres Ionisationspotential des Absorbers 

ck 

Korrektionsfaktor für E < 4 MeV, 0 < ck < 1, Umladung 

4





C.Walther 




V L L 

n e =Z×N =Z× r = »const. 

A 0 A 

0 A 

0 

� 

E0 

N n Z×N 

A r A 

2mev ln 

(dE/dx) A rd 0 x0 

A 0×ZA IA 

Q= = = × 

(dE/dx) 0 rdx A A A A×Z0 2mev ln 

I 

R incm r A 

= 

R incm r A 

dE 

R= 

dE dx 

0 


0 

2 

2 

relatives 

Bremsvermögen 

Bragg-Kleemann- 

Regel 

Reichweite 

5




Bremsvermögen verschiedener Teilchenarten 

C.Walther 



Stopping power in MeV/cm 


6




C.Walther 



Holloway and Livington, PR 54 (1938) 29 

Bragg‘sche Kurve 

Bragg-Kurve für Alpha-Teilchen 

� Luft = 1,184 mg cm -3 (15 o C, 760 mm Hg) 


7




Relatives Bremsvermögen bezogen auf Al 

C.Walther 



Reichweiten und LET verschiedener 

Strahlenarten in Luft und Wasser 


8




SI-Units in Radiation Protection 

C.Walther 


quantity SI-unit old unit relation 

Bequerel Bq 1 Ci = 3.7 * 10 10 Bq 

1 Bq = 1 s -1 activity A Curie Ci 

1 Bq = 27 pCi 

ion dose D I C/kg Röntgen R 1 R = 0,258 mC/kg 

1 C/kg = 3876 R 

energy dose D Gray Gy Rad rd 1 rd = 0.01 Gy 

1 Gy = 1 J/kg 1 Gy = 100 rd 

equivalent dose H Sievert Sv Röntgen 1 rem = 0.01 Sv 

1 Sv = 1 J/kg equivalent 1 Sv = 100 rem 

effective dose E Sievert Sv Röntgen 1 rem = 0.01 Sv 

1 Sv = 1 J/kg equivalent 1 Sv = 100 rem 

energy dose rate 

D 

Gray Gy/h 

1 Gy = 1 J/h*kg 

rd/h 1 rd = 0.01 Gy 

1 Gy = 100 rd 

equivalent dose rate Sievert Sv/h 

1 Sv = 1 J/h*kg 

rem/h 1 rem = 0.01 Sv 

1 Sv = 100 rem 

� 

H� Strahlenschutz und Radioökologie, C. Walther, IRS, Leibniz Universität Hannover Page 17 

Energieabsorption von Photonen 


9




Kerma 

kinetic energy released in matter 

C.Walther 


Der Quotient aus den kinetischen Anfangsenergien 

aller geladenen Teilchen, die in einem Volumenelement 

durch indirekt ionisierende Strahlung freigesetzt 

wurden, und der Masse der Materie im Volumenelement: 

� 

E kin 

�m 


Messung des Ionisationsstroms 


10




Average Specific Ionization 

C.Walther 



Bremsvermögen geladener Teilchen 

in Wasser 

ICRP 21 (1973) 


11




Ionendosis = 

Ionendosis 

in Luft erzeugte elektrische Ladung 

Masse der bestrahlten Luft 

Formelschreibweise: J = 

SI-Einheit: Coulomb/Kilogramm (C/kg) 

historische Einheit: Röntgen (R) 1 R = 2,58 10 -4 C/kg 

C.Walther 



Without shield 

With shield 

Ion Dosis Rate 

D� 

D� 

I 

I 

� 

� � � i � k n 

A K A 

2 2 

r r 

m 

i�1 

Q 

m L 


m 

i 

��ln( 2) 

d / d � 

A 

� �ni � ki 

� Bi 

�exp 

� 

2 

r 

i�1 

1/ 

2, 

i 

12




Energiedosis = 

Energiedosis 

Formelschreibweise : D � ��W 

��m 

SI-Einheit : Gray (Gy) 1 Gy = 1 

historische Einheit : rad (rd) 1 Gy = 100 rd 

C.Walther 


an die Substanz übertragene Energie 

Masse der bestrahlten Substanz 

J 

kg 


Energie- versus Ionendosis 


13




Dosisleistung = Dosisrate 

Dosisleistung = Dosis 

Zeit 

Formelschreibweise: H = �H 

. 

H · t = H 

C.Walther 


� t 

SI-Einheiten : Gy/s Sv/s A/kg 

im Strahlenschutz gebräuchliche Einheiten: mSv/h �Sv/h 


Äquivalentdosis = Bewertungsfaktor ��Energiedosis 

1 Sv = 1 J 

kg 

Äquivalentdosis 

H = Q � D 

SI-Einheit: Sievert (Sv) 


� 

historische Einheit: rem 

1 Sv = 100 rem 

14




Qualitätsfaktor Q 

(Strahlungswichtungsfaktor w R) 

Strahlung Q 

Röntgen- und 1 

Gammastrahlung 

Betastrahlung, 1 

Elektronen, Positronen 

Alphastrahlung aus 20 

Radionukliden 

Neutronen unbekannter 10 

Energie 

Bei der Definition der Organdosen wurde Q durch den Strahlungs-Wichtungsfaktor ersetzt. 

Q wird jedoch nach wie vor für die Definition der Äquivalentdosis (Dosismessgrößen) verwendet 

C.Walther 



Qualitätsfaktor Q 

en: quality factor 

Wichtungsfaktor zur Ermittlung der Äquivalentdosis 

berücksichtigt die Einflüsse der Strahlungsart und Strahlungsenergie 

(Strahlungsqualität) auf die biologische Wirkung bezüglich der 

Auslösung stochastischer Strahlenwirkungen 

Photonen, Elektronen, 

Myonen Q = 1 

L in Wasser Q(L) 

in keV/µm 

< 10 1 

10 - 100 0,32 L -2,2 

> 100 300/ � L 

L lineares Energieübertragungsvermögen 

Bei der Definition der Organdosen wurde Q durch den Strahlungs-Wichtungsfaktor ersetzt. 

Q wird jedoch nach wie vor für die Definition der Äquivalentdosis (Dosismessgrößen) verwendet 


15




ICRP 21 (1973) 

Qualitätsfaktor als f(LET) 

C.Walther 



Effektive Qualitätsfaktoren für Neutronen 


16




Qualiätsfaktor = f(E kin) 

C.Walther 



Strahlungs-Wichtungsfaktor w R 

Photonen, Elektronen, Myonen 1 

Neutronen 

< 10 keV 5 

10 keV bis 100 keV 10 

> 100 keV bis 2 MeV 20 

> 2 MeV bis 20 MeV 10 

> 20 MeV 5 

Protonen außer Rückstoßprotonen, 

Energie > 2 MeV 5 

Alphateilchen, Spaltfragmente, 

schwere Kerne 20 

Der Qualitätsfaktor hat die Dimension 1 


17




Gewebe-Wichtungsfaktor w T 

Tissue Weighing Factor 

Gewebe oder Organ wT 

Gonaden 0,2 

Knochenmark (rot), Dickdarm, Lunge, Magen je 0,12 

Blase, Brust, Leber, Speiseröhre, Schilddrüse je 0,05 

Haut, Knochenoberfläche je 0,01 

Andere Organe und Gewebe insgesamt 0,05 

C.Walther 


Wichtungsfaktor zur Ermittlung der effektiven Dosis entsprechend 

den relativen Beiträgen der einzelnen Gewebe und Organe zu den 

stochastischen Strahlenwirkungen 


Die effektive Dosis 

E � � w � H � �w�w�D, T 

T 

T 

T 

T r 

Die effektive Dosis in Sv (J/kg) wichtet die Organdosen 

über die Gewebewichtungsfaktoren w r entsprechend der 

Empfindlichkeit der Gewebe für stochastische Schäden. 

Die Gewebewichtungsfaktoren w T sind globale Größen, 

denen u. a. eine Geschlechtsmittelung und die Annahme 

einer Altersverteilung einer exponierten Population 

zugrunde liegt. 

Die Gewebewichtungsfaktoren w T und damit auch die 

effektive Dosis E sind daher nicht geeignet, die Altersabhängigkeit 

des Risikos und Individualrisiken nach 

Exposition zu quantifizieren. 


r 

T 

r 

18




w T 

Effective Dose E 

� 

E � E � E � E � w � E � E � E ) 

ext 

ing 

inh 

T 

C.Walther 


( T , ext T , ing T , inh 

E t ) � E ( t ) � E ( t ) � E ( t ) � E ( t ) 

Indices: 

T ( 1 T , ext 1 T , inh 1 T , ing, w 1 

T , ing, 

n 1 

n 

tissue weighing factor 

ext external ing,w ingestion water 

int internal ing,n ingestion foodstuff n 

inh Inhalation T tissue 



an einem Punkt im Strahlungsfeld 

Äquivalentdosis = Qualitätsfaktor � Gewebe-Energiedosis 

H = Q D 

H = Q D 

Q hat die Dimension 1 


T 

� 

Q mittlerer Qualitätsfaktor bei Zusammenwirken 

mehrerer Strahlenqualitäten 

neu 

19




ICRP (2006) 

Radiation Weighing Factor = f(E n) 

C.Walther 



Operative Größen (ICRU) 

Schutzgrößen (ICRP) 

Operative Größen (Ortsdosis, Personendosis) 

sind messbar und sollen unter möglichst allen 

realistischen Expositionsbedingungen ausreichend 

genaue Schätzwerte für die Körperdosen liefern 

Schutzgrößen (Körperdosisgrößen: 

Organdosis, effektive Dosis) sind nicht direkt 

messbar - sie können nur über Rechnungen 

(z.B. Monte-Carlo) oder Messungen an 

Phantomen ermittelt werden 

Personendosis: Die Äquivalentdosis in ICRU-Weichteilgewebe in einer geeigneten 

Tiefe d unter der Stelle der Körperoberfläche, an der das Personendosimeter getragen 

wird. Die Einheit der Personendosis ist Sievert (Sv). 


20




C.Walther 


Strahlung geringer Eindringtiefe 

Strahlung, bei der die von der Keimschicht der Haut 

(0,07 mm Tiefe) erhaltene Äquivalentdosis bei 

senkrechtem Einfall eines breiten Strahlenbündels 

größer als das 10fache der effektiven Dosis ist. 

(Beispiel: Alphastrahlung, Elektronen mit Energien unter 2 MeV, 

Photonenstrahlung mit Energien unter 15 keV) 

Durchdringende Strahlung 

Strahlung, bei der die von der Keimschicht der Haut 

(0,07 mm Tiefe) erhaltene lokale Hautdosis bei 

senkrechtem Einfall eines breiten Strahlenbündels nicht 

größer als das 10fache der effektiven Dosis ist. 


Gewebe-Energiedosis (D) 

Energiedosis in dem von der ICRU eingeführten Material 

der Dichte 1 g/cm 3 mit einem Massenanteil von 76,2% O, 

11,1% C, 10,1% H und 2,6% N (ICRU-Weichteilgewebe). 

– vereinfacht ausgedrückt – das Verhältnis aus der Energie, die 

durch ionisierende Strahlung auf ein kleines Volumenelement 

ICRU-Weichteilgewebe übertragen wird, und der Masse dieses 

Volumens. 


21




H H,R = w R · D H,R 

H H = � w R · D H,R 

C.Walther 


bei Zusammenwirken 

mehrerer Strahlenqualitäten 

Produkt aus der über 1 cm 2 Hautfläche gemittelten Energiedosis 

D H,R der Haut in 0,07 mm Gewebetiefe mit dem Strahlungs- 

Wichtungsfaktor w R für die Strahlungsqualität R 

Konversionskoeffizienten 

Lokale Hautdosis 

en: dose to the skin 

Einheit: Sievert (Sv) 1 Sv = 1 J/kg 


Operative Größen und Schutzgrößen 

Primäre Messgrößen: K a, � 

Operative Größen: H p, H*, H' 

reale Person 

anthropomorhes Phantom 

Kalibrierphantom 

Schutzgrößen: E, H T 

Abschätzung des Strahlenrisikos 

Ortsdosis 

Personendosis 

Körperdosis 


22




Umgebungs- 


H*(10) 

Operative Größen der ICRU 


Größenart für Messungen, 

Punktgröße 

Ortsdosis Personendosis 

Richtungs- 


H‘(0,07,�) 

H p(0,07) 

C.Walther 


Oberflächen- 

Personendosis 

Tiefen- 

Personendosis 

H p(10) 


Orts- und Personendosis (neu) 

Personendosis: 

Äquivalentdosis (für Weichteilgewebe), gemessen 

an (einer) (der) für die Strahlenexposition 

repräsentativen Stelle der Körperoberfläche 

Ortsdosis: 

Äquivalentdosis (für Weichteilgewebe), gemessen 

an einem bestimmten Ort 

( ) bisher geltende Definition 


23




Messgrößen der Personendosis (neu) 

Als Personendosis gilt: 

- bei durchdringender Strahlung: 

Tiefen-Personendosis HP(10) - bei Strahlung mit geringer Eindringtiefe: 

Oberflächen-Personendosis HP(0,07) - wenn sowohl durchdringende Strahlung als auch Strahlung 

geringer Eindringtiefe gleichzeitig in Betracht kommen: 

Wertepaar HP(10), HP(0,07) C.Walther 



Tiefen-Personendosis H P(10) 

(Definition) 

Äquivalentdosis in 10 mm Tiefe im Körper an der 

Tragestelle des Personendosimeters 

Der Messwert der Tiefen-Personendosis liefert 

bei Ganzkörperexposition mit durchdringender Strahlung: 

- einen Schätzwert für die effektive Dosis und die Organdosen 

tiefliegender Organe 

Die Definition der Personendosis berücksichtigt die anatomischen 

und physikalischen Gegebenheiten im realen Körper des Trägers. 


24




Oberflächen-Personendosis H P(0,07) 

(Definition) 

Äquivalentdosis in 0,07 mm Tiefe im Körper an der 

Tragestelle des Personendosimeters 

Der Messwert der Oberflächen-Personendosis liefert 

bei Teilkörperexposition mit Strahlung geringer Eindringtiefe: 

- einen Schätzwert für die lokale Hautdosis 

Die Definition der Personendosis berücksichtigt die anatomischen 

und physikalischen Gegebenheiten im realen Körper des Trägers. 

C.Walther 



Messgrößen der Ortsdosimetrie 

(neu) 

Als Ortsdosis gilt: 

- bei durchdringender Strahlung: 

Umgebungs-Äquivalentdosis H*(10) 

- bei Strahlung mit geringer Eindringtiefe: 

Richtungs-Äquivalentdosis H'(0,07) 1 

- wenn sowohl durchdringende Strahlung als auch Strahlung 

geringer Eindringtiefe gleichzeitig in Betracht 

kommen: 

Wertepaar H*(10), H'(0,07) 1 

1 vereinfachte Darstellung 


25




Umgebungs-Äquivalentdosis 

en: ambient dose equivalent 

Umgebungs-Äquivalentdosis H*(10) am interessierenden 

Punkt im tatsächlichen Strahlungsfeld: 

Äquivalentdosis, die im zugehörigen ausgerichteten und 

aufgeweiteten Strahlungsfeld auf dem der Einfallsrichtung 

der Strahlung entgegengesetzten Radiusvektor in der ICRU- 

Kugel in 10 mm Tiefe erzeugt würde. 

H*(10) ist von der Richtungsverteilung im 

tatsächlichen Strahlungsfeld unabhängig 

C.Walther 



Richtungs-Äquivalentdosis 

en: directional dose equivalent 

Richtungs-Äquivalentdosis H'(0,07, �) 1 am interessierenden 

Punkt im tatsächlichen Strahlungsfeld: 

Äquivalentdosis, die im zugehörigen aufgeweiteten 

� 

Strahlungsfeldauf einem in Richtung � orientierten Radius 

der ICRU-Kugel in 0,07 mm Tiefe erzeugt würde 

� � 

1 H'(0,07, �� ist im allgemeinen von � abhängig. In der 

Praxis interessiert in der Regel der Maximalwert der 

Richtungs-Äquivalentdosis: H'(0,07) 


� 

26




Bedeutung der Ortsdosis-Messwerte 

Der Messwert der Umgebungs-Äquivalentdosis H*(10) 

liefert bei durchdringender Strahlung: 

- einen Schätzwert für die effektive Dosis und die 

Organdosen tiefliegender Organe 

Der Messwert der Richtungs-Äquivalentdosis H'(0,07) 

liefert bei Strahlung geringer Eindringtiefe: 

- einen Schätzwert für die Hautdosis 

C.Walther 



Strahlungs-Wichtungsfaktor w R 

Bedeutung 

Der Strahlungs-Wichtungsfaktor 

• berücksichtigt Unterschiede in der biologischen 

Wirksamkeit verschiedener Strahlungsqualitäten in 

Bezug auf die Auslösung stochastischer Wirkungen 

• ist Näherungswert für den mittleren Qualitätsfaktor Q 

• wird für das primäre Strahlungsfeld angegeben 

(Anfangsenergien emittierter Teilchen, 

Strahlungsfeld am Ort des Körpers bei dessen 

Abwesenheit) 


27




Possibilities of extrapolating into the low-dose range 

C.Walther 


Streffer (2008) IRPA Sievert Lecture 


28

Vorlesung Strahlenschutz und Radioökologie - IRS - Leibniz ...

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?