Was ist Äquivalentdosis – Definition

Die Äquivalentdosis (Symbol H _T ) ist eine für einzelne Organe berechnete Dosismenge (Index T – Gewebe). Die Äquivalentdosis basiert auf der Energiedosis eines Organs, angepasst an die Wirksamkeit der Strahlungsart. Äquivalentdosis ist das Symbol H gegeben _T . Die SI – Einheit von H _T ist die Sievert (Sv) oder aber rem (roentgen equivalent man) ist immer noch häufig verwendet ( 1 Sv = 100 rem ). Die Einheit von Sievert wurde nach dem schwedischen Wissenschaftler Rolf Sievert benannt, der einen Großteil der frühen Arbeiten zur Dosimetrie in der Strahlentherapie durchgeführt hat.

Aus Strahlenschutzgründen wird, wie geschrieben, die Energiedosis über ein Organ oder Gewebe T gemittelt und dieser Energiedosismittelwert für die Strahlungsqualität mit dem Strahlungsgewichtungsfaktor w _R für die Art und Energie von gewichtet auf den Körper einfallende Strahlung. Der Strahlungsgewichtungsfaktor ist ein dimensionsloser Faktor zur Bestimmung der Äquivalentdosis aus der über ein Gewebe oder Organ gemittelten Energiedosis und basiert auf der Art der absorbierten Strahlung. Die resultierende gewichtete Dosis wurde als Organ- oder Gewebeäquivalentdosis bezeichnet:

Eine äquivalente Dosis von einem Sievert darstellt , dass die Menge der Strahlungsdosis , die äquivalent ist, in Bezug auf den angegebenen biologischen Schäden , zu einem Gray von Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen . Die äquivalente Dosis ist eine nicht physikalische Größe (w _R wird aus den biologischen Folgen ionisierender Strahlung abgeleitet), die in der Dosimetrie, gemessen mit Dosimetern, weit verbreitet ist. Die äquivalente Dosis wird vom ICRP als „Grenzmenge“ bezeichnet. Festlegung von Expositionsgrenzwerten, um sicherzustellen, dass „das Auftreten stochastischer Gesundheitsschäden unter einem inakzeptablen Niveau gehalten wird und dass Gewebereaktionen vermieden werden“.

Die äquivalente Dosis H _T wird zur Beurteilung des stochastischen Gesundheitsrisikos aufgrund äußerer Strahlungsfelder verwendet, die den gesamten Körper gleichmäßig durchdringen . Es sind jedoch weitere Korrekturen erforderlich , wenn das Feld nur auf einen oder mehrere Körperteile angewendet wird oder nicht einheitlich , um das gesamte stochastische Gesundheitsrisiko für den Körper zu messen. Um dies zu ermöglichen, muss eine weitere als effektive Dosis bezeichnete Dosismenge verwendet werden. Die effektive Dosis ist definiert als die Summe der organäquivalenten Dosen, gewichtet mit den ICRP- Organgewichtungsfaktoren w _T , die die unterschiedliche Empfindlichkeit verschiedener Organe und Gewebe gegenüber Strahlung berücksichtigen.

Einheiten der Äquivalentdosis :

• Sievert . Das Sievert ist eine abgeleitete Einheit der Äquivalentdosis und der effektiven Dosis und repräsentiert die äquivalente biologische Wirkung der Ablagerung eines Joules Gammastrahlenenergie in einem Kilogramm menschlichem Gewebe.
• REM . Der rem (eine Abkürzung für R oentgen E quivalent M an) ist die Nicht-SI-Einheit der Äquivalentdosis, die vorwiegend in den USA verwendet wird. Es ist eine Bezeichnung für Dosisäquivalenz und entspricht dem biologischen Schaden, der durch eine Dosis verursacht würde.

Eine Dosis von  einem Sv,  die durch Gammastrahlung verursacht wird, entspricht einer Energiedeposition von einem Joule pro Kilogramm Gewebe. Das heißt, ein Sieb entspricht einem Gray von Gammastrahlen, die in einem bestimmten Gewebe abgelagert sind. Andererseits kann ein ähnlicher biologischer Schaden (ein Sievert) nur durch 1/20 der Alphastrahlung verursacht werden.

Ein Sieb ist eine große Menge der Äquivalentdosis. Eine Person, die eine Ganzkörperdosis von 1 Sv absorbiert hat, hat 1 Joule Energie in jedem kg Körpergewebe absorbiert (im Falle von Gammastrahlen).

In Industrie und Medizin gemessene äquivalente Dosen weisen gewöhnlich niedrigere Dosen als ein Sieb auf, und die folgenden Vielfachen werden häufig verwendet:

1 mSv (Millisievert) = 1E-3 Sv

1 uSv (Mikrosievert) = 1E-6 Sv

Die Umrechnungen von den SI-Einheiten in andere Einheiten lauten wie folgt:

• 1 Sv = 100 rem
• 1 mSv = 100 mrem

Von der Energiedosis zur Äquivalentdosis

Beachten Sie, dass der Sievert keine physikalische Dosiseinheit ist . Beispielsweise führt eine von Alpha-Partikeln Energiedosis von 1 Gy zu einer äquivalenten Dosis von 20 Sv. Dies scheint ein Paradox zu sein. Dies impliziert, dass die Energie des einfallenden Strahlungsfeldes in Joule um den Faktor 20 gestiegen ist, wodurch die Gesetze der Energieerhaltung verletzt werden . Dies ist jedoch nicht der Fall. Sievert wird aus der absorbierten physikalischen Menge abgeleitet, berücksichtigt aber auch die biologische Wirksamkeit der Strahlung, die von der Art der Strahlung und der Energie abhängt. Der Strahlungsgewichtungsfaktor bewirkt, dass der Sievert keine physikalische Einheit sein kann.

Wie geschrieben wurde, interagiert jede Art von Strahlung auf unterschiedliche Weise mit Materie und verursacht unterschiedliche biologische Schäden. Beispielsweise können geladene Teilchen mit hohen Energien Atome direkt ionisieren. Andererseits interagieren elektrisch neutrale Teilchen nur indirekt, können aber auch einige oder alle ihrer Energien auf die Materie übertragen. Es würde sicherlich die Sache vereinfachen, wenn biologische Wirkungen auftretender Strahlung waren direkt proportional zur absorbierten Dosis. Leider hängen biologische Wirkungen auch davon ab, wie die absorbierte Dosis entlang des Strahlungswegs verteilt wird. Studien haben gezeigt, dass Alpha- und Neutronenstrahlung bei einer bestimmten Energiedeposition pro kg Gewebe einen größeren biologischen Schaden verursachen als Gammastrahlung. Es wurde festgestellt, dass die biologischen Auswirkungen jeglicher Strahlung mit dem linearen Energietransfer (LET) zunehmen . Kurz gesagt, der biologische Schaden durch Strahlung mit hohem LET ( Alpha-Teilchen , Protonen oder Neutronen ) ist viel größer als der durch Strahlung mit niedrigem LET ( Gammastrahlen)). Dies liegt daran, dass das lebende Gewebe Schäden durch Strahlung, die sich über einen großen Bereich ausbreitet, leichter reparieren kann als solche, die sich auf einen kleinen Bereich konzentrieren. Da bei gleicher physikalischer Dosis mehr biologische Schäden verursacht werden (dh dieselbe Energie pro Masseeinheit Gewebe), ist ein Gray Alpha- oder Neutronenstrahlung schädlicher als ein Gray Gammastrahlung. Diese Tatsache, dass Strahlungen unterschiedlicher Art (und Energien) unterschiedliche biologische Wirkungen bei gleicher absorbierter Dosis bewirken, wird anhand von Faktoren beschrieben, die als relative biologische Wirksamkeit (RBE) und Strahlungsgewichtungsfaktor (w _R ) bekannt sind.

Strahlungsgewichtungsfaktor

Beim Strahlenschutz ist der Strahlungsgewichtungsfaktor ein dimensionsloser Faktor, der zur Bestimmung der äquivalenten Dosis aus der über ein Gewebe oder Organ gemittelten absorbierten Dosis verwendet wird und auf der Art der absorbierten Strahlung basiert. In der Vergangenheit wurde zu diesem Zweck ein ähnlicher Faktor verwendet, der als Qualitätsfaktor bekannt ist. Der Strahlungsgewichtungsfaktor ist eine Schätzung der Wirksamkeit pro Dosiseinheit der gegebenen Strahlung relativ zu einem niedrigen LET-Standard.

Vor 1990 wurden dosisäquivalente Mengen als Qualitätsfaktor Q (L) definiert, der zu einem bestimmten Zeitpunkt auf die absorbierte Dosis angewendet wurde, um die unterschiedlichen Auswirkungen verschiedener Strahlungstypen zu berücksichtigen. In seinen Empfehlungen von 1990 führte das ICRP ein modifiziertes Konzept ein. Für Strahlenschutzzwecke wird die absorbierte Dosis über ein Organ oder Gewebe T gemittelt, und dieser Durchschnitt der absorbierten Dosis wird für die Strahlungsqualität als Strahlungsgewichtungsfaktor w _R für die Art und Energie der auf die Strahlung einfallenden Strahlung gewichtet Körper.

Der Grund für das Ersetzen des Qualitätsfaktors, dh der Q-L-Beziehung, durch w _R -Werte bei der Definition der organäquivalenten Dosen und der wirksamen Dosis war, dass die Kommission der Ansicht war:

„Dass das Detail und die Präzision, die mit der Verwendung einer formalen Q-L-Beziehung zur Änderung der absorbierten Dosis verbunden sind, um die höhere Wahrscheinlichkeit von Schäden widerzuspiegeln, die sich aus der Exposition gegenüber Strahlungskomponenten mit hohem LET ergeben, aufgrund der Unsicherheiten in den radiologischen Informationen nicht gerechtfertigt sind“.

Bemerkenswerterweise sind diese beiden Faktoren, der Strahlungsgewichtungsfaktor und der Qualitätsfaktor, auf den für den Strahlenschutz interessanten Dosisbereich beschränkt, dh auf die allgemeine Größe der Dosisgrenzen. Unter besonderen Umständen, wenn es sich um höhere Dosen handelt, die deterministische Effekte verursachen können, werden die relevanten RBE-Werte angewendet, um eine gewichtete Dosis zu erhalten.

Spezielle Referenz : ICRP, 2003. Relative biologische Wirksamkeit (RBE), Qualitätsfaktor ( Q ) und Strahlungsgewichtungsfaktor ( w _R ). ICRP-Veröffentlichung 92. Ann. ICRP 33 (4).

Strahlungsgewichtungsfaktoren – ICRP

Für Photonen- und Elektronenstrahlung hat der Strahlungsgewichtungsfaktor unabhängig von der Energie der Strahlung den Wert 1 und für Alphastrahlung den Wert 20. Für Neutronenstrahlung ist der Wert energieabhängig und beträgt 5 bis 20.

2007 veröffentlichte ICRP eine neue Reihe von Strahlungsgewichtungsfaktoren (ICRP Publ. 103: Die Empfehlungen 2007 der Internationalen Strahlenschutzkommission). Diese Faktoren sind unten angegeben.

Wie in der Tabelle gezeigt, gilt aw _R von 1 für alle Strahlungen mit niedrigem LET, dh Röntgen- und Gammastrahlen aller Energien sowie Elektronen und Myonen. Eine glatte Kurve, die als Annäherung betrachtet wird, wurde an die w _R -Werte als Funktion der einfallenden Neutronenenergie angepasst . Beachten Sie, dass E _n ist die Neutronenenergie in MeV.

So führt beispielsweise eine von Alpha-Partikeln absorbierte Dosis von 1 Gy zu einer äquivalenten Dosis von 20 Sv, und es wird geschätzt, dass eine äquivalente Strahlungsdosis den gleichen biologischen Effekt hat wie eine gleiche absorbierte Dosis von Gammastrahlen bei einem Gewichtungsfaktor von 1.

Qualitätsfaktor

Der Qualitätsfaktor eines Strahlungstyps ist definiert als das Verhältnis des biologischen Schadens, der durch die Absorption von 1 Gy dieser Strahlung verursacht wird, zu dem biologischen Schaden, der durch 1 Gy Röntgen- oder Gammastrahlen verursacht wird.

Das Q einer bestimmten Art von Strahlung hängt mit der Dichte der Ionenspuren zusammen, die sie im Gewebe hinterlässt. Die Qualitätsfaktoren für die verschiedenen Strahlungsarten sind in der Tabelle aufgeführt.

Diese Qualitätsfaktoren beschränken sich auf den für den Strahlenschutz interessanten Dosisbereich, dh auf die allgemeine Größe der Dosisgrenzen. Unter besonderen Umständen, wenn es sich um höhere Dosen handelt, die deterministische Effekte verursachen können, werden die relevanten RBE-Werte angewendet, um eine gewichtete Dosis zu erhalten.

Beispiele für Dosen in Sieverts

Wir müssen beachten, dass Strahlung überall um uns herum ist. In, um und über der Welt, in der wir leben. Es ist eine natürliche Energiekraft, die uns umgibt. Es ist ein Teil unserer natürlichen Welt, der seit der Geburt unseres Planeten hier ist. In den folgenden Punkten versuchen wir, enorme Bereiche der Strahlenexposition auszudrücken, die aus verschiedenen Quellen erhalten werden können.

• 0,05 µSv – Schlafen neben jemandem
• 0,09 µSv – Ein Jahr lang in einem Umkreis von 30 Meilen um ein Kernkraftwerk leben
• 0,1 µSv – Eine Banane essen
• 0,3 µSv – Ein Jahr lang in einem Umkreis von 50 Meilen um ein Kohlekraftwerk leben
• 10 µSv – Durchschnittliche Tagesdosis aus natürlichem Hintergrund
• 20 µSv – Röntgenaufnahme der Brust
• 40 µSv – Ein 5-stündiger Flugzeugflug
• 600 µSv – Mammographie
• 1 000 µSv – Dosisgrenze für einzelne Mitglieder der Öffentlichkeit, effektive Gesamtdosis pro Jahr
• 3 650 µSv – Durchschnittliche jährliche Dosis aus natürlichem Hintergrund
• 5 800 µSv – Brust-CT-Scan
• 10 000 µSv – Durchschnittliche jährliche Dosis aus natürlichem Hintergrund in Ramsar, Iran
• 20 000 µSv – Einzel-Ganzkörper-CT
• 175 000 µSv – Jährliche Dosis natürlicher Strahlung an einem Monazitstrand in der Nähe von Guarapari, Brasilien.
• 5 000 000 µSv – Dosis, die einen Menschen mit einem 50% igen Risiko innerhalb von 30 Tagen tötet (LD50 / 30), wenn die Dosis über einen sehr kurzen Zeitraum verabreicht wird .

Wie zu sehen ist, sind niedrige Dosen im Alltag üblich. Die vorherigen Beispiele können helfen, relative Größen zu veranschaulichen. Unter dem Gesichtspunkt der biologischen Konsequenzen ist es sehr wichtig, zwischen Dosen zu unterscheiden, die über kurze und längere Zeiträume erhalten werden . Eine „ akute Dosis “ tritt über einen kurzen und begrenzten Zeitraum auf, während eine „ chronische Dosis “ auftritt”Ist eine Dosis, die über einen längeren Zeitraum anhält, damit sie besser durch eine Dosisleistung beschrieben werden kann. Hohe Dosen neigen dazu, Zellen abzutöten, während niedrige Dosen dazu neigen, sie zu beschädigen oder zu verändern. Niedrige Dosen, die über lange Zeiträume verteilt sind, verursachen für kein Körperorgan ein unmittelbares Problem. Die Auswirkungen niedriger Strahlendosen treten auf der Ebene der Zelle auf, und die Ergebnisse werden möglicherweise über viele Jahre hinweg nicht beobachtet.

Äquivalente Dosisleistung

Die äquivalente Dosisrate ist die Rate, mit der eine äquivalente Dosis erhalten wird. Es ist ein Maß für die Intensität (oder Stärke) der Strahlendosis. Die äquivalente Dosisleistung ist daher definiert als:

In herkömmlichen Einheiten wird es in mSv / s ,  Sv / h, mrem / s oder rem / h gemessen . Da die Menge der Strahlenexposition direkt (linear) von der Zeit abhängt, die Menschen in der Nähe der Strahlungsquelle verbringen, entspricht die Energiedosis der Stärke des Strahlungsfeldes (Dosisleistung) multipliziert mit der in diesem Feld verbrachten Zeit. Das obige Beispiel zeigt, dass eine Person eine Dosis von 25 Millirem erwarten kann, wenn sie 30 Minuten in einem Feld von 50 Millirem / Stunde bleibt.

Berechnung der abgeschirmten Dosisleistung

Angenommen, die punktisotrope Quelle enthält 1,0 Ci von ¹³⁷ Cs und hat eine Halbwertszeit von 30,2 Jahren . Es ist zu beachten, dass die Beziehung zwischen der Halbwertszeit und der Menge eines Radionuklids, die erforderlich ist, um eine Aktivität von einem Curie zu ergeben , unten gezeigt ist. Diese Materialmenge kann mit λ berechnet werden, der Zerfallskonstante bestimmter Nuklide:

Etwa 94,6 Prozent zerfallen durch Beta-Emission zu einem metastabilen Kernisomer von Barium: Barium-137m. Der Hauptphotonenpeak von Ba-137m beträgt 662 keV . Nehmen Sie für diese Berechnung an, dass alle Zerfälle diesen Kanal durchlaufen.

Berechnen Sie die primäre Photonendosisrate in Gray pro Stunde (Gy.h ^-1 ) an der Außenfläche eines 5 cm dicken Bleischilds . Dann berechnet die Äquivalentdosisleistung . Angenommen, dieses externe Strahlungsfeld durchdringt den gesamten Körper gleichmäßig . Die Primärphotonendosisrate vernachlässigt alle Sekundärteilchen. Angenommen, der effektive Abstand der Quelle vom Dosispunkt beträgt 10 cm . Wir werden auch annehmen, dass der Dosispunkt Weichgewebe ist und vernünftigerweise durch Wasser simuliert werden kann, und wir verwenden den Massenenergieabsorptionskoeffizienten für Wasser.

Siehe auch: Gammastrahlendämpfung

Siehe auch: Abschirmung von Gammastrahlen

Lösung:

Die Primärphotonendosisrate wird exponentiell abgeschwächt , und die Dosisrate von Primärphotonen unter Berücksichtigung der Abschirmung ist gegeben durch:

Wie zu sehen ist, berücksichtigen wir den Aufbau von Sekundärstrahlung nicht. Wenn Sekundärteilchen erzeugt werden oder wenn die Primärstrahlung ihre Energie oder Richtung ändert, ist die effektive Dämpfung viel geringer. Diese Annahme unterschätzt im Allgemeinen die wahre Dosisleistung, insbesondere für dicke Schilde und wenn der Dosispunkt nahe an der Schildoberfläche liegt, aber diese Annahme vereinfacht alle Berechnungen. In diesem Fall ist die tatsächliche Dosisleistung (mit dem Aufbau von Sekundärstrahlung) mehr als doppelt so hoch.

Um die Energiedosisleistung zu berechnen , müssen wir in der Formel Folgendes verwenden:

• k = 5,76 · 10 & supmin; & ^sup7;
• S = 3,7 × 10 ¹⁰ s ^–1
• E = 0,662 MeV
• μ _t / ρ =  0,0326 cm ² / g (Werte sind bei NIST erhältlich)
• μ = 1,289 cm ^-1 (Werte sind bei NIST erhältlich)
• D = 5 cm
• r = 10 cm

Ergebnis:

Die resultierende Energiedosisrate in Gray pro Stunde beträgt dann:

Da der Strahlungsgewichtungsfaktor für Gammastrahlen gleich eins ist und wir das einheitliche Strahlungsfeld angenommen haben, können wir die äquivalente Dosisrate direkt aus der Energiedosisrate berechnen als:

Wenn wir den Aufbau von Sekundärstrahlung berücksichtigen wollen, müssen wir den Aufbaufaktor einbeziehen. Die erweiterte Formel für die Dosisleistung lautet dann: