Nick Connor

Die Äquivalentdosis (Symbol H _T ) ist eine für einzelne Organe berechnete Dosismenge (Index T – Gewebe). Die äquivalente Dosis basiert auf der absorbierten Dosis 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.

Berechnung der äquivalenten 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 , nachstehend gezeigt ist. Diese Materialmenge kann mit λ berechnet werden, was die Zerfallskonstante eines bestimmten Nuklids ist:

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

Berechnen Sie die primäre Photonendosisrate in Grau pro Stunde (Gy.h ^-1 ) an der Außenfläche eines 5 cm dicken Bleischilds . Dann berechnet die Äquivalentdosisleistung . Angenommen, dieses äußere Strahlungsfeld durchdringt den gesamten Körper gleichmäßig . Die primäre Photonendosisrate vernachlässigt alle sekundären Partikel. 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: Gamma Ray Attenuation

Siehe auch: Abschirmung von Gammastrahlen

Lösung:

Die Primärphotonendosisrate wird exponentiell abgeschwächt , und die Dosisrate der 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. Diese Annahme vereinfacht jedoch alle Berechnungen. In diesem Fall ist die tatsächliche Dosisleistung (mit dem Aufbau von Sekundärstrahlung) mehr als doppelt so hoch.

Um die absorbierte Dosisleistung 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 absorbierte Dosisrate in Grautönen 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 absorbierten Dosisrate berechnen als:

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

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:

Energiedosis – Gleichung

Die  Energiedosis ist definiert als die Energiemenge, die durch ionisierende Strahlung in einer Substanz abgegeben wird. Energiedosis  wird das Symbol gegeben  D  . Die Energiedosis wird normalerweise in einer Einheit gemessen, die als  Gray  (Gy) bezeichnet wird und vom SI-System abgeleitet ist. Gelegentlich wird auch sterben Nicht-SI-Einheit  rad  verwendet, überwiegend in den USA.

Einheiten der Energiedosis:

• Grau  . Eine Dosis von einem Grau entspricht einer Energieeinheit (Joule), sterben in einem Kilogramm eines Stoffes gespeichert ist.
• RAD  . Eine Dosis von einem Rad entspricht der Ablagerung von einhundert Erg Energie in einem Gramm eines beliebigen Materials.

Absorbierte Dosisleistung – Gleichung

Die  Energiedosisrate  ist die Rate, mit der eine Energiedosis empfangen WIRD. Es ist eine Maß für die Strahlungsdosisintensität (oder -stärke). Die Energiedosisleistung ist daher definiert als:

In Einheiten wird er in mrad/s  ,   rad/h, mGy/s oder Gy/h bisher gemessen. Da sterben Höhe der Strahlenexposition direkt (linear)  von der Zeit  aus,  sterben  Menschen in der Nähe der Strahlungsquelle verbringen, sterben entspricht der reduzierten Dosis der Stärke des Strahlungsfeldes (Dosisleistung) multipliziert mit der Zeitdauer, sterben in diesem Feld verbracht wird. Das obige Beispiel zeigt, dass eine Person eine Dosis von 25 Millirems erwarten kann, wenn sie 30 Minuten lang in einem Feld von 50 Millirems / Stunde bleibt.

Absorbierte Dosisleistungsberechnung

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  erforderlich ist, um eine Aktivität von Einem  Curie zu ergeben  . Diese Materialmenge kann mit λ berechnet werden, was die  Zerfallskonstante  eines bestimmten Nuklids ist:

Etwa 94,6 Prozent zerfallen durch  Beta-Emission  zu einem metastabilen  Kernisomer  von Barium: Barium-137m. Der Hauptphotonenpeak von Ba-137m beträgt  662 keV  . Für this Berechnung WIRD angenommen, dass alle Zerfälle diesen Kanal durchlaufen.

Bestimmen Sie die primäre Photonendosisrate  in Grau pro Stunde (Gy.h-  ¹  ) an der Außenfläche eines 5 cm dicken Bleischilds. 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 can, und wir verwenden den Massenenergieabsorptionskoeffizienten für Wasser.

Siehe auch:  Gammastrahlendämpfung

Siehe auch:  Abschirmung von Gammastrahlen

Lösung:

Die Primärphotonendosisrate WIRD  exponentiell abgeschwächt  , und sterben 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 sterben Primärstrahlung ihre Energie oder Richtung ändert, ist die effektive Dämpfung viel geringer. This Annahme unterschätzt im Allgemeinen sterben wahre Dosisleistung, insbesondere für dicke Schilde und WENN der Dosispunkt nahe an der Schildoberfläche liegt, aber this Annahme vereinfacht alle Berechnungen. In diesem Fall ist die tatsächliche Dosisleistung (mit dem Aufbau von Sekundärstrahlung) mehr als doppelt so hoch.

Um die  übrige Dosisleistung zu berechnen  , Wann 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 beim NIST erhältlich)
• D = 5 cm
• r = 10 cm

Ergebnis:

Die resultierende Energiedosisleistung in Grays pro Stunde beträgt dann:

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

——–

In den vorhergehenden Kapiteln haben wir die äquivalente Dosis und die effektive Dosis beschrieben . Diese Dosen sind jedoch nicht direkt messbar . Zu diesem Zweck hat das ICRP eine Reihe von Betriebsgrößen eingeführt und definiert , die gemessen werden können und eine angemessene Schätzung für die Schutzgrößen liefern sollen. Diese Größen zielen darauf ab, eine konservative Schätzung für den Wert der Schutzgrößen im Zusammenhang mit einer Exposition zu liefern, wobei sowohl eine Unterschätzung als auch eine zu starke Überschätzung vermieden werden.

Numerische Verknüpfungen zwischen diesen Größen werden durch Umrechnungskoeffizienten dargestellt , die für eine Referenzperson definiert sind. Es ist sehr wichtig, dass ein international vereinbarter Satz von Umrechnungskoeffizienten zur allgemeinen Verwendung in der Strahlenschutzpraxis für berufliche Expositionen und Exposition der Öffentlichkeit zur Verfügung steht. Für die Berechnung der Umrechnungskoeffizienten für die externe Exposition werden rechnerische Phantome zur Dosisbestimmung in verschiedenen Strahlungsfeldern verwendet. Für die Berechnung von Dosiskoeffizienten aus der Aufnahme von Radionukliden werden biokinetische Modelle für Radionuklide, physiologische Referenzdaten und rechnerische Phantome verwendet.

Ein Satz ausgewerteter Daten zu Umwandlungskoeffizienten für den Schutz und Betriebsgrößen für die externe Exposition gegenüber monoenergetischer Photonen-, Neutronen- und Elektronenstrahlung unter bestimmten Bestrahlungsbedingungen wird in Berichten veröffentlicht (ICRP, 1996b, ICRU, 1997).

Im Allgemeinen definiert die ICRP Betriebsgrößen für Bereich und individuelle Überwachung externer Belichtungen. Die Betriebsgrößen für die Flächenüberwachung sind:

• Äquivalent zur Umgebungsdosis H * (10). Das Äquivalent zur Umgebungsdosis ist eine Betriebsgröße für die Flächenüberwachung von stark eindringender Strahlung.
• Richtungsdosisäquivalent H ‚(d, Ω). Das Richtungsdosisäquivalent ist eine Betriebsgröße zur Flächenüberwachung schwach eindringender Strahlung.

Die Betriebsgrößen für die Einzelüberwachung sind:

• Personendosisäquivalent , H _p (0,07) . Das H _p (0,07) -Dosisäquivalent ist eine Betriebsgröße für die Einzelüberwachung zur Beurteilung der Dosis für Haut, Hände und Füße.
• Personendosisäquivalent , H _p (10) . Das H _p (10) -Dosisäquivalent ist eine Betriebsgröße für die Einzelüberwachung zur Beurteilung der wirksamen Dosis.

Spezielle Referenz: ICRP, 2007. Die Empfehlungen 2007 der Internationalen Strahlenschutzkommission. ICRP Publication 103. Ann. ICRP 37 (2-4).

Bereichsüberwachung

Umgebungsdosisäquivalent – H * (10)

Das Umgebungsdosisäquivalent ist eine Betriebsgröße für die Flächenüberwachung. Gemäß dem ICRP ist das Umgebungsdosisäquivalent definiert als:

ICRP-Veröffentlichung 103:

„Das Dosisäquivalent an einem Punkt in einem Strahlungsfeld, das durch das entsprechende erweiterte und ausgerichtete Feld in der ICRU-Kugel in einer Tiefe von 10 mm auf dem Radiusvektor entgegen der Richtung des ausgerichteten Feldes erzeugt würde.“

Das Umgebungsdosisäquivalent erhält das Symbol H * (10) . Die SI-Einheit von H * (10) ist der Sievert (Sv). 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. Für alle Arten von externer Strahlung werden die Betriebsgrößen für die Flächenüberwachung auf der Grundlage eines Dosisäquivalentwerts an einem Punkt in einem einfachen Phantom, der ICRU-Kugel , definiert, die eine Kugel aus gewebeäquivalentem Material (30 cm Durchmesser) ist. ICRU (Weichgewebe) mit einer Dichte von 1 g / cm ³ und einer Massenzusammensetzung von 76,2% Sauerstoff, 11,1% Kohlenstoff, 10,1% Wasserstoff und 2,6% Stickstoff.

Wie bereits geschrieben, sind Betriebsgrößen im Gegensatz zu einer wirksamen Dosis messbar, und Instrumente zur Strahlungsüberwachung werden anhand dieser Größen kalibriert. Bei der Überwachung werden die Werte dieser Betriebsgrößen als ausreichend genaue Beurteilung der wirksamen Dosis bzw. der Hautdosis herangezogen, insbesondere wenn ihre Werte unter den Schutzgrenzen liegen. Numerische Zusammenhänge zwischen Betriebsgrößen und effektiver Dosis werden durch konservative Umrechnungskoeffizienten dargestellt, die für eine Referenzperson definiert sind.

Richtungsdosisäquivalent – H ‚(d, Ω)

Das Richtungsdosisäquivalent ist eine Betriebsgröße zur Flächenüberwachung schwach durchdringender Strahlung. Das Richtungsdosisäquivalent H ‚(d, Ω) ist die Betriebsgröße zur Bestimmung der Äquivalentdosis für Haut, Augenlinse usw., auch für Betastrahlung und niederenergetische Photonen.

Gemäß dem ICRP ist das Richtungsdosisäquivalent definiert als:

ICRP-Veröffentlichung 103:

„ Das Dosisäquivalent an einem Punkt in einem Strahlungsfeld, das durch das entsprechende erweiterte Feld in der ICRU-Kugel in einer Tiefe d auf einem Radius in einer bestimmten Richtung Ω erzeugt würde . ”

Das Richtungsdosisäquivalent erhält das Symbol H ‚(0,07, Ω) oder in seltenen Fällen H‘ (3, Ω). Die SI-Einheit von H ‚(d, Ω) ist der Sievert (Sv). 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. Für alle Arten von externer Strahlung werden die Betriebsgrößen für die Flächenüberwachung auf der Grundlage eines Dosisäquivalentwerts an einem Punkt in einem einfachen Phantom, der ICRU-Kugel, definiert, die eine Kugel aus gewebeäquivalentem Material (30 cm Durchmesser) ist. ICRU (Weichgewebe) mit einer Dichte von 1 g / cm ³ und einer Massenzusammensetzung von 76,2% Sauerstoff, 11,1% Kohlenstoff, 10,1% Wasserstoff und 2,6% Stickstoff.

Wie bereits geschrieben, sind Betriebsgrößen im Gegensatz zu einer wirksamen Dosis messbar, und Instrumente zur Strahlungsüberwachung werden anhand dieser Größen kalibriert. Bei der Überwachung werden die Werte dieser Betriebsgrößen als ausreichend genaue Beurteilung der wirksamen Dosis bzw. der Hautdosis herangezogen, insbesondere wenn ihre Werte unter den Schutzgrenzen liegen. Numerische Zusammenhänge zwischen Betriebsgrößen und effektiver Dosis werden durch konservative Umrechnungskoeffizienten dargestellt, die für eine Referenzperson definiert sind.

Individuelle Überwachung

Persönliches Dosisäquivalent – H _p (10) – H _p (0,07)

Im Allgemeinen ist die Personendosis , H _p (D), ist eine Betriebsmenge für die einzelnen Überwachungs. Gemäß dem ICRP ist das persönliche Dosisäquivalent definiert als:

ICRP-Veröffentlichung 103:

„Das Dosisäquivalent in Weichgewebe (üblicherweise als„ ICRU-Kugel “interpretiert) in einer geeigneten Tiefe d unterhalb eines bestimmten Punktes am menschlichen Körper. ”

Das persönliche Dosisäquivalent erhält das Symbol H _p (d). Zwei vom ICRP festgelegte gemeinsame Betriebsgrößen für die individuelle Überwachung sind:

• Persönliches Dosisäquivalent , H _p (0,07) . Das Dosisäquivalent H _p (0,07) ist eine Betriebsgröße für die individuelle Überwachung zur Beurteilung der Dosis für die Haut sowie für Hände und Füße.
• Persönliches Dosisäquivalent , H _p (10) . Das H _p (10) -Dosisäquivalent ist eine Betriebsgröße für die individuelle Überwachung zur Beurteilung der wirksamen Dosis.

Wie zu sehen ist, können verschiedene Tiefen verwendet werden. Das persönliche Dosisäquivalent H _p (d) kann indirekt mit einem dünnen Gewebeäquivalentdetektor ( Strahlungsdosimeter ) bewertet werden , der an der Körperoberfläche getragen und mit einer geeigneten Dicke von Gewebeäquivalentmaterial bedeckt wird. Der angegebene Punkt d wird normalerweise als der Ort angesehen, an dem das Strahlungsdosimeter getragen wird.

Zur Beurteilung oberflächlicher Organe und zur Kontrolle der Äquivalentdosis werden Tiefen von 0,07 mm für die Haut und 3 mm für die Augenlinse verwendet, und die persönlichen Dosisäquivalente für diese Tiefen werden mit H _p (0,07) und H _p ( 3). H _p (0,07) wird auch als Flachdosisäquivalent bezeichnet .

Für die Beurteilung tiefer Organe und die Kontrolle der wirksamen Dosis wird H _p (10) mit einer Tiefe d = 10 mm gewählt. H _p (10) wird auch als Tiefendosisäquivalent bezeichnet . Wenn das persönliche Dosimeter an einer Position des Körpers getragen wird, die für seine Exposition repräsentativ ist, bei niedrigen Dosen und unter der Annahme einer gleichmäßigen Ganzkörperexposition liefert der Wert von Hp (10) einen effektiven Dosiswert, der für Strahlenschutzzwecke ausreichend genau ist . Neutronen- und Gammastrahlung tragen sowohl zur tiefen als auch zur flachen Dosis bei, aber die Beta-Strahlung wird vollständig von der Haut absorbiert und trägt daher nur zur flachen Dosis bei.

Die SI-Einheit von H _p (d) ist der Sievert (Sv). 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. Für alle Arten von externer Strahlung werden die Betriebsgrößen für die individuelle Überwachung auf der Grundlage eines Dosisäquivalentwerts an einem Punkt in einem einfachen Phantom, der ICRU-Kugel, definiert, die eine Kugel aus gewebeäquivalentem Material (30 cm Durchmesser) ist. ICRU (Weichgewebe) mit einer Dichte von 1 g / cm ³ und einer Massenzusammensetzung von 76,2% Sauerstoff, 11,1% Kohlenstoff, 10,1% Wasserstoff und 2,6% Stickstoff.

Wie bereits geschrieben, sind Betriebsgrößen im Gegensatz zu einer wirksamen Dosis messbar, und Instrumente zur Strahlungsüberwachung werden anhand dieser Größen kalibriert. Bei der Überwachung werden die Werte dieser Betriebsgrößen als hinreichend genaue Beurteilung der wirksamen Dosis bzw. der Hautdosis herangezogen, insbesondere wenn ihre Werte unter den Schutzgrenzen liegen. Numerische Zusammenhänge zwischen Betriebsgrößen und effektiver Dosis werden durch konservative Umrechnungskoeffizienten dargestellt, die für eine Referenzperson definiert sind. In den meisten praktischen Situationen liefern Dosimeter vernünftige Annäherungen an das persönliche Dosisäquivalent H _p(d) zumindest am Ort des Dosimeters. Es ist zu beachten, dass das persönliche Dosisäquivalent im Allgemeinen die wirksame Dosis überschätzt. Andererseits ist dieses Verfahren nur bei niedrigen Dosen und unter der Annahme einer einheitlichen Ganzkörperexposition gültig . Für hohe persönliche Dosen, die sich der jährlichen Dosisgrenze nähern oder diese überschreiten, oder in stark inhomogenen Strahlungsfeldern ist dieses Verfahren jedoch möglicherweise nicht ausreichend.

Berufliche Exposition – effektive Dosis

In den meisten Situationen beruflicher Exposition kann die effektive Dosis E aus Betriebsgrößen unter Verwendung der folgenden Formel abgeleitet werden:

Die  festgelegte Dosis  ist eine Dosismenge, die das stochastische Gesundheitsrisiko aufgrund der Aufnahme von radioaktivem Material  in den menschlichen Körper misst  .

Dosisgrenzen

Siehe auch: Dosisgrenzen

Die Dosisgrenzen sind in zwei Gruppen unterteilt: die Öffentlichkeit und beruflich exponierte Arbeitnehmer. Laut ICRP bezieht sich die berufliche Exposition auf alle Expositionen, die Arbeitnehmer im Laufe ihrer Arbeit erleiden, mit Ausnahme von

1. ausgeschlossene Expositionen und Expositionen von freigestellten Tätigkeiten mit Strahlung oder freigestellten Quellen
2. jede medizinische Exposition
3. die normale lokale natürliche Hintergrundstrahlung.

In der folgenden Tabelle sind die Dosisgrenzwerte für beruflich exponierte Arbeitnehmer und für die Öffentlichkeit zusammengefasst:

Gemäß der Empfehlung des ICRP in seiner Erklärung zu Gewebereaktionen vom 21. April 2011 wurde die äquivalente Dosisgrenze für die Augenlinse für die berufliche Exposition in geplanten Expositionssituationen gemittelt von 150 mSv / Jahr auf 20 mSv / Jahr gesenkt über definierte Zeiträume von 5 Jahren ohne jährliche Dosis in einem einzigen Jahr über 50 mSv.

Die Grenzwerte für die wirksame Dosis beziehen sich auf die Summe der relevanten wirksamen Dosen aus externer Exposition im angegebenen Zeitraum und der zugesagten wirksamen Dosis aus der Aufnahme von Radionukliden im selben Zeitraum. Für Erwachsene wird die festgelegte wirksame Dosis für einen Zeitraum von 50 Jahren nach der Einnahme berechnet, während sie für Kinder für den Zeitraum bis zum Alter von 70 Jahren berechnet wird. Die effektive Ganzkörperdosisgrenze von 20 mSv ist ein Durchschnittswert über fünf Jahre. Die tatsächliche Grenze liegt bei 100 mSv in 5 Jahren, mit nicht mehr als 50 mSv in einem Jahr.

Im Strahlenschutz ist die effektive Dosis eine Dosismenge, die als Summe der gewebeäquivalenten Dosen definiert ist, die mit den ICRP- Organ- (Gewebe-) Gewichtungsfaktoren w _T gewichtet werden , wobei die unterschiedliche Empfindlichkeit verschiedener Organe und Gewebe gegenüber Strahlung berücksichtigt wird . Effektive Dosis wird das Symbol angegeben E . Die SI-Einheit von E ist das Sievert (Sv) oder aber rem (Röntgenäquivalent Mann) wird 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.

Effektive Dosis – Berechnung der abgeschirmten Dosisrate

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 , nachstehend gezeigt ist. Diese Materialmenge kann mit λ berechnet werden, was die Zerfallskonstante eines bestimmten Nuklids ist:

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

Berechnen Sie die primäre Photonendosisrate in Sieverts pro Stunde (Sv.h ^-1 ) an der Außenfläche eines 5 cm dicken Bleischilds . Dann berechnet die äquivalent und wirksame Dosisraten für zwei Fälle.

1. Angenommen, dieses äußere Strahlungsfeld durchdringt den gesamten Körper gleichmäßig . Das heißt: Berechnen Sie die effektive Ganzkörperdosisleistung .
2. Nehmen Sie an, dass dieses externe Strahlungsfeld nur die Lunge durchdringt und die anderen Organe vollständig abgeschirmt sind. Das heißt: Berechnen Sie die effektive Dosisleistung .

Beachten Sie, dass bei der primären Photonendosisrate alle sekundären Partikel vernachlässigt werden. 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: Gamma Ray Attenuation

Siehe auch: Abschirmung von Gammastrahlen

Lösung:

Die Primärphotonendosisrate wird exponentiell abgeschwächt , und die Dosisrate der 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 absorbierte Dosisleistung 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 absorbierte Dosisrate in Grautönen pro Stunde beträgt dann:

1) Gleichmäßige Bestrahlung

Da der Strahlungsgewichtungsfaktor für Gammastrahlen gleich eins ist und wir das gleichmäßige Strahlungsfeld angenommen haben (der Gewebegewichtungsfaktor ist ebenfalls gleich eins), können wir die äquivalente Dosisrate und die effektive Dosisrate (E = H _T ) direkt berechnen ) aus der absorbierten Dosisrate als:

2) Teilbestrahlung

In diesem Fall gehen wir nur von einer teilweisen Bestrahlung der Lunge aus. Wir müssen also den Gewebegewichtungsfaktor verwenden , der gleich w _T = 0,12 ist . Der Strahlungsgewichtungsfaktor für Gammastrahlen ist gleich eins. Als Ergebnis können wir die effektive Dosisleistung wie folgt berechnen:

Wenn ein Körperteil (z. B. die Lunge) eine Strahlendosis erhält, besteht das Risiko einer besonders schädlichen Wirkung (z. B. Lungenkrebs). Wenn die gleiche Dosis einem anderen Organ verabreicht wird, stellt dies einen anderen Risikofaktor dar.

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

Im Strahlenschutz ist die effektive Dosis eine Dosismenge, die als Summe der gewebeäquivalenten Dosen definiert ist, die mit den ICRP- Gewichtungsfaktoren für Organe (Gewebe) , w _T , gewichtet sind und die unterschiedliche Empfindlichkeit verschiedener Organe und Gewebe gegenüber Strahlung berücksichtigen . Effektive Dosis wird das Symbol angegeben E . Die SI-Einheit von E ist das Sievert (Sv) oder aber rem (Röntgenäquivalent Mann) wird 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.

Wie im vorigen Kapitel beschrieben, wird die Äquivalentdosis H _T 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, wird eine weitere Dosismenge als  effektive Dosis bezeichnet muss benutzt werden. Die wirksame Dosis ermöglicht die Bestimmung der biologischen Folgen einer Teilbestrahlung (ungleichmäßig). Es liegt an der Tatsache, dass verschiedene Körpergewebe unterschiedlich auf ionisierende Strahlung reagieren. Daher hat das ICRP bestimmten Geweben und Organen Sensitivitätsfaktoren zugewiesen, damit der Effekt der Teilbestrahlung berechnet werden kann, wenn die bestrahlten Bereiche bekannt sind.

In Veröffentlichung 60 definierte der ICRP die effektive Dosis als die doppelt gewichtete Summe der absorbierten Dosis in allen Organen und Geweben des Körpers. Dosisgrenzwerte werden in Bezug auf die wirksame Dosis festgelegt und gelten für den Einzelnen für Strahlenschutzzwecke, einschließlich der allgemeinen Risikobewertung. Mathematisch kann die effektive Dosis ausgedrückt werden als:

Sowohl die Äquivalentdosis als auch die effektive Dosis sind Größen für den Strahlenschutz, einschließlich der allgemeinen Risikobewertung. Sie bieten eine Grundlage für die Abschätzung der Wahrscheinlichkeit stochastischer Effekte nur für resorbierte Dosen, die weit unter den Schwellenwerten für deterministische Effekte liegen.

Einheiten der wirksamen Dosis :

• 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 aus Äquivalentdosis und effektiver Dosis, die vorwiegend in den USA verwendet wird. Es ist eine Bezeichnung für Dosisäquivalenz und entspricht dem biologischen Schaden, der durch eine Dosis verursacht würde.

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

Wirksame Dosen in Industrie und Medizin haben häufig niedrigere Dosen als ein Sievert, 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

Gewebegewichtungsfaktoren

Der Gewebegewichtungsfaktor w _T ist der Faktor, mit dem die äquivalente Dosis in einem Gewebe oder Organ T gewichtet wird, um den relativen Beitrag dieses Gewebes oder Organs zum gesamten Gesundheitsschaden darzustellen, der aus einer gleichmäßigen Bestrahlung des Körpers resultiert (ICRP 1991b). . Es ist ein Maß für das Risiko stochastischer Effekte, die sich aus der Exposition dieses spezifischen Gewebes ergeben können. Die Gewebegewichtungsfaktoren berücksichtigen die unterschiedliche Empfindlichkeit verschiedener Organe und Gewebe gegenüber Strahlung.

Die Gewebegewichtungsfaktoren sind in verschiedenen Veröffentlichungen des ICRP (International Commission on Radiological Protection) aufgeführt. Nach der tatsächlichen Bestimmung des ICRP sind die Risikofaktoren in der folgenden Tabelle aufgeführt (aus der ICRP-Veröffentlichung 103 (ICRP 2007)).

Sonderreferenz: ICRP, 2007. Die Empfehlungen der Internationalen Strahlenschutzkommission von 2007. ICRP-Veröffentlichung 103. Ann. ICRP 37 (2-4).

Jeweils mit einem Gewichtungsfaktor w – Zu diesem Zweck hat der Körper in 15 verschiedene Organe aufgeteilt _T . Wenn nur ein Teil des Körpers bestrahlt wird, werden nur diese Regionen zur Berechnung der effektiven Dosis verwendet. Die Gewebegewichtungsfaktoren summieren sich zu 1,0 , so dass die effektive Dosis für den gesamten Körper gleich der äquivalenten Dosis für den gesamten Körper ist, wenn ein ganzer Körper mit gleichmäßig durchdringender externer Strahlung bestrahlt wird.

Wenn eine Person nur teilweise bestrahlt wird, hängt die Dosis stark vom Gewebe ab, das bestrahlt wurde. Beispielsweise entspricht eine 10-mSv-Gammadosis für den gesamten Körper und eine 50-mSv-Dosis für die Schilddrüse hinsichtlich des Risikos einer Ganzkörperdosis von 10 + 0,04 × 50 = 12 mSv.

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.

Effektive Dosisleistung

Die effektive Dosisrate ist die Rate, mit der eine effektive Dosis erhalten wird. Es ist ein Maß für die Intensität (oder Stärke) der Strahlendosis. Die effektive 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 effektive Dosis 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 Sieverts pro Stunde (Sv.h ^-1 ) an der Außenfläche eines 5 cm dicken Bleischilds . Dann berechnet die äquivalent und wirksame Dosisraten für zwei Fälle.

1. Angenommen, dieses externe Strahlungsfeld durchdringt den gesamten Körper gleichmäßig . Das heißt: Berechnen Sie die effektive Ganzkörperdosis .
2. Angenommen, dieses externe Strahlungsfeld dringt nur in die Lunge ein und die anderen Organe sind vollständig abgeschirmt. Das heißt: Berechnen Sie die effektive Dosisleistung .

Es ist zu beachten, dass die Primärphotonendosisrate alle Sekundärteilchen vernachlässigt. 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 absorbierte Dosisleistung 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 absorbierte Dosisrate in Gray pro Stunde beträgt dann:

1) Gleichmäßige Bestrahlung

Da der Strahlungsgewichtungsfaktor für Gammastrahlen gleich eins ist und wir das gleichmäßige Strahlungsfeld angenommen haben (der Gewebegewichtungsfaktor ist ebenfalls gleich eins), können wir die äquivalente Dosisrate und die effektive Dosisrate (E = H _T ) direkt berechnen ) aus der absorbierten Dosisrate als:

2) Teilbestrahlung

In diesem Fall gehen wir nur von einer teilweisen Bestrahlung der Lunge aus. Wir müssen also den Gewebegewichtungsfaktor verwenden , der gleich w _T = 0,12 ist . Der Strahlungsgewichtungsfaktor für Gammastrahlen ist gleich eins. Als Ergebnis können wir die effektive Dosisleistung wie folgt berechnen:

Wenn ein Körperteil (z. B. die Lunge) eine Strahlendosis erhält, besteht das Risiko einer besonders schädlichen Wirkung (z. B. Lungenkrebs). Wenn die gleiche Dosis einem anderen Organ verabreicht wird, stellt dies einen anderen Risikofaktor dar.

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

Ionisierende Strahlung ist jede Strahlung ( Partikel oder elektromagnetische Wellen ), die genug Energie enthält, um Elektronen von Atomen oder Molekülen zu stoßen und sie dadurch zu ionisieren. Für ionisierende Strahlung ist die kinetische Energie von Partikeln ( Photonen, Elektronen usw. ) ausreichend und das Partikel kann Zielatome ionisieren (um Ionen durch Elektronenverlust zu bilden), um Ionen zu bilden.

Die Grenze zwischen ionisierender und nichtionisierender Strahlung ist nicht scharf definiert, da unterschiedliche Moleküle und Atome bei unterschiedlichen Energien ionisieren. Dies ist typisch für elektromagnetische Wellen. Zu den elektromagnetischen Wellen gehören in der Reihenfolge zunehmender Frequenz (Energie) und abnehmender Wellenlänge: Radiowellen, Mikrowellen, Infrarotstrahlung, sichtbares Licht, Ultraviolettstrahlung, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung. Gammastrahlen , Röntgenstrahlen und der höhere ultraviolette Teil des Spektrums ionisieren, wohingegen das niedrigere ultraviolette, sichtbare Licht (einschließlich Laserlicht), Infrarot, Mikrowellen und Radiowellen als nicht ionisierende Strahlung gelten.

Alle  biologischen Schädigungseffekte  beginnen mit der Folge von Strahlungswechselwirkungen mit den  Atomen,  die die Zellen bilden. Alle Lebewesen bestehen aus einer oder mehreren Zellen. Jeder Teil Ihres Körpers besteht aus Zellen oder wurde von ihnen aufgebaut. Obwohl wir die Tendenz haben, biologische Effekte in Bezug auf die Wirkung von Strahlung auf lebende Zellen zu sehen  , interagiert ionisierende Strahlung per Definition nur mit Atomen durch einen Prozess, der Ionisation genannt wird.

Die Gefahr ionisierender Strahlung besteht darin, dass die Strahlung unsichtbar ist und von den menschlichen Sinnen nicht direkt wahrgenommen werden kann. Menschen können Strahlung weder sehen noch fühlen, aber sie gibt Energie an die Körpermoleküle ab. Die Energie wird für jede Wechselwirkung zwischen der Strahlung und einem Molekül in kleinen Mengen übertragen, und es gibt gewöhnlich viele solcher Wechselwirkungen.

Formen ionisierender Strahlung

Ionisierende Strahlung wird nach der Art der Partikel oder elektromagnetischen Wellen kategorisiert, die den ionisierenden Effekt erzeugen. Diese Teilchen / Wellen haben unterschiedliche Ionisationsmechanismen und können wie folgt gruppiert werden:

• Direkt ionisierend . Geladene Teilchen ( Atomkerne, Elektronen, Positronen, Protonen, Myonen usw. ) können Atome direkt durch fundamentale Wechselwirkung durch die Coulomb-Kraft ionisieren, wenn sie ausreichend kinetische Energie tragen. Diese Teilchen müssen sich mit relativistischen Geschwindigkeiten bewegen, um die erforderliche kinetische Energie zu erreichen. Sogar Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt direkt (obwohl sie elektrisch neutral sind) ionisieren, aber die sekundäre (indirekte) Ionisation ist viel bedeutender.
  • Alpha-Strahlung . Alphastrahlung besteht aus Alphateilchen mit hoher Energie / Geschwindigkeit. Die Produktion von Alpha-Partikeln wird als Alpha-Zerfall bezeichnet. Alpha-Teilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen, die zu einem Teilchen zusammengebunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Alpha-Teilchen sind relativ groß und tragen eine doppelt positive Ladung. Sie sind nicht sehr durchdringend und ein Stück Papier kann sie aufhalten. Sie reisen nur wenige Zentimeter, legen aber ihre ganze Energie auf ihren kurzen Wegen ab.
  • Beta-Strahlung . Beta-Strahlung besteht aus freien Elektronen oder Positronen mit relativistischen Geschwindigkeiten. Beta-Teilchen (Elektronen) sind viel kleiner als Alpha-Teilchen. Sie tragen eine einzige negative Ladung. Sie sind durchdringender als Alpha-Partikel, aber dünnes Aluminiummetall kann sie aufhalten. Sie können mehrere Meter zurücklegen, aber an jedem Punkt ihrer Wege weniger Energie ablagern als Alpha-Partikel.
• Indirekt ionisierend . Indirekte ionisierende Strahlung besteht aus elektrisch neutralen Partikeln und interagiert daher nicht stark mit Materie. Der Großteil der Ionisationseffekte ist auf Sekundärionisationen zurückzuführen.
  • Photonenstrahlung ( Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen). Photonenstrahlung besteht aus hochenergetischen Photonen . Diese Photonen sind Teilchen / Wellen (Wellen-Teilchen-Dualität) ohne Ruhemasse oder elektrische Ladung. Sie können 10 Meter oder mehr in der Luft fliegen. Dies ist eine große Entfernung im Vergleich zu Alpha- oder Betateilchen. Gammastrahlen lagern jedoch weniger Energie auf ihren Wegen ab. Blei, Wasser und Beton stoppen die Gammastrahlung. Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome direkt durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt ionisieren, wo das relativ energetische Elektron erzeugt wird. Das Sekundärelektron erzeugt weiterhin mehrere Ionisationsereignisse , daher ist die sekundäre (indirekte) Ionisation viel bedeutender.
  • Neutronenstrahlung . Neutronenstrahlung besteht aus freien Neutronen bei allen Energien / Geschwindigkeiten. Neutronen können durch Kernspaltung oder durch Zerfall einiger radioaktiver Atome emittiert werden . Neutronen haben keine elektrische Ladung und können keine direkte Ionisation verursachen. Neutronen ionisieren Materie nur indirekt . Wenn beispielsweise Neutronen auf die Wasserstoffkerne treffen, entsteht Protonenstrahlung (schnelle Protonen). Neutronen können von Partikeln mit hoher Geschwindigkeit und hoher Energie bis zu Partikeln mit niedriger Geschwindigkeit und niedriger Energie (sogenannte thermische Neutronen) reichen. Neutronen können sich ohne Wechselwirkung über mehrere hundert Meter in der Luft bewegen.

High-LET- und Low-LET-Strahlung

Wie geschrieben wurde, interagiert jede Art von Strahlung auf unterschiedliche Weise mit Materie . Beispielsweise können geladene Teilchen mit hohen Energien Atome direkt ionisieren. Alpha-Partikel sind ziemlich massiv und tragen eine doppelte positive Ladung, so dass sie dazu neigen, sich nur über eine kurze Strecke zu bewegen und nicht oder nur sehr weit in das Gewebe einzudringen. Alpha-Partikel lagern ihre Energie jedoch über ein kleineres Volumen ab (möglicherweise nur wenige Zellen, wenn sie in einen Körper gelangen) und verursachen mehr Schaden an diesen wenigen Zellen.

Beta-Teilchen (Elektronen) sind viel kleiner als Alpha-Teilchen. Sie tragen eine einzige negative Ladung. Sie sind durchdringender als Alpha-Partikel. Sie können mehrere Meter zurücklegen, aber an jedem Punkt ihrer Wege weniger Energie ablagern als Alpha-Partikel. Dies bedeutet, dass Beta-Partikel dazu neigen, mehr Zellen zu schädigen, jedoch jeweils weniger. 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 die biologischen Wirkungen der Strahlung direkt proportional zur absorbierten Dosis wären . Leider hängen die biologischen Wirkungen auch davon ab, wie sich die absorbierte Dosis auf dem Strahlungsweg verteilt. 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, die biologische Schädigung durch Strahlung mit hohem LET ( Alpha-Teilchen , Protonen oder Neutronen)) ist viel größer als die von Low-LET-Strahlung ( 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. Natürlich können Gammastrahlen bei sehr hoher Exposition das Gewebe immer noch stark schädigen.

Da bei gleicher physikalischer Dosis mehr biologische Schäden verursacht werden (dh dieselbe Energie pro Masseeinheit Gewebe), ist ein Grau Alpha- oder Neutronenstrahlung schädlicher als ein Grau 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 (wR) bekannt sind.

Der Strahlungsgewichtungsfaktor ist ein dimensionsloser Faktor, der verwendet wird, um die äquivalente Dosis aus der über ein Gewebe oder Organ gemittelten absorbierten Dosis zu bestimmen, 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 grauen 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. Expositionsgrenzwerte festzulegen, um sicherzustellen, dass „das Auftreten stochastischer Auswirkungen auf die Gesundheit unter inakzeptablen Werten gehalten wird und dass Gewebereaktionen vermieden werden“.

Ionisationsenergie

Ionisierungsenergie , auch Ionisierungspotential genannt , ist die Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron aus dem neutralen Atom zu entfernen .

X + Energie → X ⁺ + e ^–

wobei X ein Atom oder Molekül ist, das ionisiert werden kann, ist X ⁺ das Atom oder Molekül, bei dem ein Elektron entfernt ist (positives Ion), und e ^– ist das entfernte Elektron.

Ein Stickstoffatom benötigt beispielsweise die folgende Ionisierungsenergie, um das äußerste Elektron zu entfernen.

N + IE → N ⁺ + e ^–        IE = 14,5 eV

Die mit der Entfernung des ersten Elektrons verbundene Ionisierungsenergie wird am häufigsten verwendet. Die n- te Ionisierungsenergie bezieht sich auf die Energiemenge, die erforderlich ist, um ein Elektron mit einer Ladung von ( n –1) aus der Spezies zu entfernen .

1. Ionisierungsenergie

X → X ⁺ + e ^–

2. Ionisierungsenergie

X ⁺ → X ²⁺ + e ^–

3. Ionisierungsenergie

X ²⁺ → X ³⁺ + e ^–

Ionisierungsenergie für verschiedene Elemente

Für jedes aufeinanderfolgende entfernte Elektron gibt es eine Ionisierungsenergie. Die Elektronen, die den Kern umkreisen, bewegen sich in ziemlich genau definierten Bahnen. Einige dieser Elektronen sind im Atom fester gebunden als andere. Zum Beispiel sind nur 7,38 eV erforderlich, um das äußerste Elektron von einem Bleiatom zu entfernen, während 88.000 eV erforderlich sind, um das innerste Elektron zu entfernen. Hilft, die Reaktivität von Elementen (insbesondere Metallen, die Elektronen verlieren) zu verstehen.

Im Allgemeinen nimmt die Ionisierungsenergie zu, wenn eine Gruppe nach oben und über einen Zeitraum von links nach rechts bewegt wird. Außerdem:

• Die Ionisierungsenergie ist für die Alkalimetalle am niedrigsten, die ein einzelnes Elektron außerhalb einer geschlossenen Hülle haben.
• Die Ionisierungsenergie steigt über eine Reihe auf das periodische Maximum für die Edelgase, die geschlossene Schalen haben

Zum Beispiel benötigt Natrium nur 496 kJ / mol oder 5,14 eV / Atom, um es zu ionisieren. Andererseits benötigt Neon, das im Periodensystem unmittelbar davor stehende Edelgas, 2081 kJ / mol oder 21,56 eV / Atom.

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.

Kosmische Strahlung

Kosmische Strahlung bezieht sich auf Strahlungsquellen in Form von kosmischen Strahlen , die von der Sonne oder aus dem Weltraum kommen. Die Erde wurde schon immer von energiereichen Partikeln aus dem Weltraum bombardiert, die in der unteren Atmosphäre Sekundärpartikelschauer erzeugen. Geladene Teilchen (insbesondere hochenergetische Protonen) von der Sonne und dem Weltraum Interact mit der Atmosphäre der Erde und eine Magnetfeld zu erzeugen , Dusche von Strahlung (dh Luftdusche), typischerweise Beta und Gammastrahlung . Wenn Sie in höheren Lagen leben oder ein häufiger Fluggast sind, kann diese Exposition erheblich höher sein, da die Atmosphäre hier dünner ist. Die Auswirkungen des Erdmagnetfeldesbestimmt auch die Dosis aus der kosmischen Strahlung .

In Bodennähe tragen die Myonen mit Energien, die meist zwischen 1 und 20 GeV liegen, etwa 75% zur absorbierten Dosisrate in freier Luft bei. Der Rest stammt von Elektronen, die von den Myonen erzeugt werden oder in der elektromagnetischen Kaskade vorhanden sind. Die jährliche Dosis der kosmischen Strahlung auf Meereshöhe beträgt etwa 0,27 mSv (27 mrem).

Zusammensetzung der kosmischen Strahlung

Die primäre kosmische Strahlung besteht aus einer Mischung von hochenergetischen Protonen (~ 87%), Alpha-Teilchen (~ 11%), hochenergetischen Elektronen (~ 1%) und einer Spur schwererer Kerne (~ 1%). Die Energie dieser Partikel liegt zwischen 10 ⁸ eV und 10 ²⁰ eV. Ein sehr kleiner Anteil sind stabile Antimaterieteilchen wie Positronen oder Antiprotonen . Die genaue Natur dieser verbleibenden Fraktion ist ein Bereich der aktiven Forschung.

In der Folge entstehen durch Wechselwirkungen zwischen Primärpartikeln und der Erdatmosphäre eine Vielzahl von Sekundärpartikeln , insbesondere Neutronen und geladene Pionen . Da es sich bei Pionen um kurzlebige subatomare Partikel handelt, entstehen beim anschließenden Zerfall der Pionen hochenergetische Myonen . In Bodennähe tragen die Myonen mit Energien, die meist zwischen 1 und 20 GeV liegen, etwa 75% zur absorbierten Dosisrate in freier Luft bei. Die Dosisleistung der kosmischen Strahlung variiert in verschiedenen Teilen der Welt und hängt stark vom Erdmagnetfeld , der Höhe und dem Sonnenzyklus ab. Die Dosisleistung für kosmische Strahlung in Flugzeugen ist so hoch, dass laut UNSCEAR 2000-Bericht der Vereinten Nationen Flugpersonal im Durchschnitt mehr Dosisleistung erhält als jeder andere Arbeitnehmer, auch in Kernkraftwerken.

Wir müssen auch die Neutronen in Bodennähe einbeziehen. Kosmische Strahlung interagiert mit Kernen in der Atmosphäre und erzeugt auch energiereiche Neutronen . Laut UNSCEAR beträgt die Fluenz von Neutronen 0,0123 cm ^–2 s ^–1 auf Meereshöhe bei einem geomagnetischen Breitengrad von 45 N. Basierend auf diesen Angaben wird die effektive jährliche Dosis von Neutronen auf Meereshöhe und bei einem Breitengrad von 50 Grad auf 0,08 mSv geschätzt (8 mrem). Bemerkenswerterweise ist der Neutronenfluss in der Nähe größerer schwerer Objekte, z. B. von Gebäuden oder Schiffen, höher. Dieser Effekt wird als „kosmisch strahleninduzierte Neutronensignatur“ oder “ Schiffseffekt “ bezeichnet“, Wie es erstmals bei Schiffen auf See festgestellt wurde. Kosmische Strahlen erzeugen Schauer in der Atmosphäre, die ein breites Spektrum an sekundären Neutronen, Myonen und Protonen umfassen. Die sekundären Neutronen können sehr energiereich sein und in bodennahen Materialien Abplatzungen hervorrufen. In der Nähe größerer schwererer Objekte werden diese bei Spallationsereignissen erzeugten Mehrfachneutronen daher als „Schiffseffekt“ -Neutronen bezeichnet .

In der oberen Atmosphäre produzierte Neutronen sind auch für die Erzeugung von radioaktivem Kohlenstoff-14 verantwortlich, dem bekanntesten kosmogenen Radionuklid. Kohlenstoff-14 wird in der oberen Atmosphäre kontinuierlich durch Wechselwirkung von kosmischer Strahlung mit atmosphärischem Stickstoff gebildet. Im Durchschnitt nur einer von 1,3 x 10 ¹²Kohlenstoffatome in der Atmosphäre sind ein radioaktives Kohlenstoff-14-Atom. Infolgedessen enthalten alle lebenden biologischen Substanzen die gleiche Menge an C-14 pro Gramm Kohlenstoff, dh 0,3 Bq Kohlenstoff-14-Aktivität pro Gramm Kohlenstoff. Solange das biologische System lebt, ist der Spiegel aufgrund der konstanten Aufnahme aller Kohlenstoffisotope konstant. Wenn das biologische System stirbt, hört es auf, Kohlenstoff mit seiner Umgebung auszutauschen, und von diesem Zeitpunkt an beginnt die Menge an Kohlenstoff-14, die es enthält, abzunehmen, wenn der Kohlenstoff-14 einem radioaktiven Zerfall unterliegt.

Energie der kosmischen Strahlung

Es wurde beobachtet, dass die Energien der energiereichsten kosmischen Ultrahochenergiestrahlung (UHECR) sich 3 x 10 ²⁰ eV annähern , was etwa dem 40-Millionen-fachen der Energie von Partikeln entspricht, die durch den Large Hadron Collider beschleunigt wurden. Der Ursprung der energiereichen Partikel liegt im Weltraum. Es wird angenommen, dass Teilchen mit einer Energie von bis zu 10 ¹⁵ eV aus unserer eigenen Galaxie stammen, während diejenigen mit der höchsten Energie wahrscheinlich einen extragalaktischen Ursprung haben.

Klassifikation der kosmischen Strahlung

Die kosmische Strahlung kann je nach Herkunft in verschiedene Arten unterteilt werden. Es gibt drei Hauptquellen für solche Strahlung:

• Solare kosmische Strahlung . Unter kosmischer Sonnenstrahlung versteht man Strahlungsquellen in Form von energiereichen Teilchen (vorwiegend Protonen), die von der Sonne emittiert werden, hauptsächlich bei Sonnenpartikelereignissen (SPEs).
• Galaktische kosmische Strahlung . Galaktische kosmische Strahlung, GCR, bezieht sich auf Strahlungsquellen in Form von energiereichen Partikeln, die außerhalb des Sonnensystems, aber im Allgemeinen innerhalb unserer Milchstraßengalaxie stammen.
• Strahlung von Erdstrahlungsgürteln ( van Allen-Gürtel ). Van-Allen-Strahlungsgürtel sind Zonen energiereicher Teilchen (insbesondere Protonen), die vom Erdmagnetfeld eingefangen werden.

Galaktische kosmische Strahlung

Galaktische kosmische Strahlung , GCRbezieht sich auf Strahlungsquellen in Form von energiereichen Partikeln, die außerhalb des Sonnensystems entstehen. GCR sind hochenergetische Kerne, von denen alle umgebenden Elektronen während ihres Hochgeschwindigkeitsdurchgangs durch die Galaxie entfernt wurden. Die auf die obere Atmosphäre einfallenden GCR bestehen aus einer nukleonalen Komponente, die 98% der Gesamtmenge ausmacht (2% sind Elektronen). Die Nukleonenkomponente besteht dann aus einer Mischung von hochenergetischen Protonen (~ 86%), Alpha-Partikeln (~ 12%) und einer Spur schwererer Kerne (~ 1%). GCR werden vom galaktischen Magnetfeld eingefangen, daher wurden sie wahrscheinlich in den letzten Millionen Jahren beschleunigt und sind viele Male durch die Galaxie gereist. Ihr Beschleunigungsmechanismus ist ungewiss, Einer der möglichen Mechanismen besteht jedoch darin, dass die Partikel durch Stoßwellen beschleunigt werden, die sich aus Supernovae ausdehnen. Die Energie dieser Teilchen liegt zwischen 10⁸ eV und 10 ²⁰ eV. Eine sehr kleine Fraktion sind stabile Antimaterieteilchen wie Positronen oder Antiprotonen.

Die genaue Art dieser verbleibenden Fraktion ist ein Bereich aktiver Forschung. Die GCR-Fluenzrate variiert mit der Sonnenaktivität und ist niedriger, wenn die Sonnenaktivität höher ist. Bei Sonnenminima ist die Fluenz aufgrund der geringeren Abschirmung des Sonnenmagnetfelds signifikant höher als bei Sonnenmaximum.

Solare kosmische Strahlung – Sonnenpartikelereignis

Unter kosmischer Sonnenstrahlung versteht man Strahlungsquellen in Form von energiereichen Teilchen (vorwiegend Protonen), die von der Sonne emittiert werden , hauptsächlich bei Sonnenpartikelereignissen (SPEs). Die auf die obere Atmosphäre einfallende Sonnenstrahlung besteht hauptsächlich aus Protonen (99%) mit Energien im Allgemeinen unter 100 MeV. Sonnenpartikelereignisse treten beispielsweise auf, wenn von der Sonne emittierte Protonen während eines Flares entweder in der Nähe der Sonne oder im interplanetaren Raum durch koronale Massenausstoßschocks beschleunigt werden. Beachten Sie, dass die Sonne einen 11-Jahres-Zyklus hat, der zu einem dramatischen Anstieg der Anzahl und Intensität von Sonneneruptionen führt, insbesondere in Zeiten mit zahlreichen Sonnenflecken.

Sonnenstrahlung stellt eine erhebliche Strahlungsgefahr für Raumfahrzeuge und Astronauten dar und erzeugt auch in großen Höhen signifikante Dosisraten, aber nur die energiereichste Strahlung trägt zu Dosen in Bodennähe bei. Beachten Sie, dass jeder, der sich während eines besonders heftigen Sonnenausbruchs im Jahr 2005 auf der Mondoberfläche befunden hatte, eine tödliche Dosis erhalten hätte .

Strahlung von Erdstrahlungsgürteln – Van Allen-Gürtel

Van-Allen-Strahlungsgürtel sind Zonen hochenergetischer Partikel (insbesondere Protonen), die vom Erdmagnetfeld eingefangen werden . Die meisten dieser hochenergetischen Teilchen stammen vom Sonnenwind, der vom Magnetfeld dieser Erde erfasst und um einen Planeten gehalten wurde. Der Van-Allen-Gürtel ist wie ein Torus über dem Äquator geformt. Es gibt zwei Van-Allen-Strahlungsgürtel, ein innerer Gürtel ist etwa 3.000 Kilometer und ein äußerer Gürtel etwa 22.000 Kilometer von der Erdoberfläche entfernt. Es enthält hauptsächlich energetische Protonen im Bereich von 10-100 MeV.

Raumschiffe, die sich jenseits der Erdumlaufbahn bewegen, betreten die Strahlungszone der Van-Allen-Gürtel. Über die Gürtel hinaus sind sie zusätzlichen Gefahren durch kosmische Strahlung und Sonnenpartikelereignisse ausgesetzt. Ein Bereich zwischen dem inneren und dem äußeren Van-Allen-Gürtel liegt bei zwei bis vier Erdradien und wird manchmal als „sichere Zone“ bezeichnet.

Dosisleistung im Flugzeug – Strahlung im Flug

Die Exposition gegenüber kosmischer Strahlung nimmt mit der Höhe rasch zu. Im Flug sind zwei Hauptquellen natürlicher Strahlung zu berücksichtigen: Galaktische kosmische Strahlen, die immer vorhanden sind, und solare Protonenereignisse, manchmal auch als solare kosmische Strahlung (SCR) bezeichnet, die sporadisch auftreten. Die Dosisleistung der kosmischen Strahlung variiert in verschiedenen Teilen der Welt und hängt stark vom Erdmagnetfeld, der Höhe und dem Sonnenzyklus ab. Das Strahlungsfeld in Flugzeughöhen besteht aus Neutronen, Protonen und Pionen. Im Flug tragen Neutronen 40 – 80% zur Äquivalentdosis bei, abhängig vom Erdmagnetfeld, der Höhe und dem Sonnenzyklus. Die Dosisleistung für kosmische Strahlung in Flugzeugen ist so hoch (aber nicht gefährlich), dass laut UNSCEAR 2000-Bericht der Vereinten Nationen Flugbesatzungsmitarbeiter im Durchschnitt mehr Dosis erhalten als alle anderen Arbeitnehmer, einschließlich derjenigen in Kernkraftwerken.

Die Bodendosisrate beträgt im Durchschnitt etwa 0,10 μSv / h, kann jedoch bei maximaler Flughöhe (8,8 km oder 29.000 ft) etwa 2,0 μSv / h (oder sogar höhere Werte) erreichen. Eine Dosisleistung von 4 μSv / h kann verwendet werden, um die durchschnittliche Dosisleistung für alle Langstreckenflüge (aufgrund höherer Flughöhen) darzustellen. Für Überschallflugzeuge wie die Concorde, die in 3,5 Stunden einen Transatlantikflug durchführen könnten, muss hinzugefügt werden, dass die Expositionsrate (ca. 9 μSv / h ) in ihrer Höhe von 18 km ausreichend erhöht wurde, um die gleiche Exposition gegenüber kosmischen Strahlen pro Flugzeug zu erzielen Kreuzung wie bei konventionellen Jets, die sich in ca. 8 km Länge bewegen.

Abschirmung der kosmischen Strahlung

Das Erdmagnetfeld bietet einen lebenswichtigen Strahlenschutz für kosmische Strahlung. Neben einer schützenden Atmosphäre haben wir auch das Glück, dass die Erde ein Magnetfeld hat. Das Magnetfeld erstreckt sich über mehrere Zehntausende Kilometer in den Weltraum und schützt die Erde vor den geladenen Teilchen des Sonnenwinds und den kosmischen Strahlen, die sonst die obere Atmosphäre ablösen würden, einschließlich der Ozonschicht, die die Erde vor schädlicher ultravioletter Strahlung schützt. Es schützt uns vor den vollen Auswirkungen des Sonnenwinds und der GCR. Ohne diesen Schutz könnte die Biosphäre der Erde nicht so existieren wie heute oder zumindest auf den Untergrund beschränkt sein. Das Erdmagnetfeld bietet auch einen Strahlenschutz für Astronauten und die ISS selbst, da es sich in einer niedrigen Erdumlaufbahn befindet.

Berechnungen des Verlusts von Kohlendioxid aus der Marsatmosphäre infolge des Abfangens von Ionen durch den Sonnenwind zeigen, dass die Dissipation des Magnetfelds des Mars einen nahezu vollständigen Verlust seiner Atmosphäre verursachte.

Kosmische Strahlung – Ist es gefährlich?

Wir müssen betonen, dass das Essen von Bananen, das Arbeiten als Flugbesatzungsmitglied oder das Leben an Orten mit erhöht Ihre jährliche Dosisleistung. Das heißt aber nicht, dass es gefährlich sein muss. In jedem Fall spielt auch die Intensität der Strahlung eine Rolle. Es ist sehr ähnlich wie bei Feuerwärme (weniger energetische Strahlung). Wenn Sie zu nahe sind, ist die Intensität der Wärmestrahlung hoch und Sie können sich verbrennen. Wenn Sie in der richtigen Entfernung sind, können Sie dort problemlos standhalten und es ist außerdem bequem. Wenn Sie zu weit von der Wärmequelle entfernt sind, kann Sie auch die Unzulänglichkeit der Wärme verletzen. Diese Analogie kann in gewissem Sinne auch auf Strahlung von Strahlungsquellen angewendet werden.

Bei Strahlung von kosmischen Strahlen handelt es sich um sogenannte „niedrige Dosen“ . Niedrige Dosis bedeutet hier zusätzliche kleine Dosen, die mit der normalen Hintergrundstrahlung vergleichbar sind ( 10 µSv = durchschnittliche Tagesdosis aus natürlichem Hintergrund). Die Dosen sind sehr sehr niedrig und daher könnte die Wahrscheinlichkeit einer Krebsinduktion nahezu vernachlässigbar sein. Zweitens, und dies ist von entscheidender Bedeutung, muss noch die Wahrheit über die gesundheitlichen Auswirkungen von Strahlung mit niedriger Dosis herausgefunden werden. Es ist nicht genau bekannt, ob diese niedrigen Strahlungsdosen schädlich oder vorteilhaft sind (und wo die Schwelle liegt). Regierung und Aufsichtsbehörden gehen von einem LNT-Modell anstelle einer Schwelle oder Hormese ausnicht weil es wissenschaftlich überzeugender ist, sondern weil es die konservativere Schätzung ist . Das Problem dieses Modells ist, dass es eine Reihe von verteidigungsbiologischen Prozessen vernachlässigt , die bei niedrigen Dosen entscheidend sein können . Die Forschung in den letzten zwei Jahrzehnten ist sehr interessant und zeigt, dass kleine Strahlungsdosen bei niedriger Dosisrate die Abwehrmechanismen stimulieren . Daher wird das LNT-Modell nicht allgemein akzeptiert, da einige eine adaptive Dosis-Wirkungs-Beziehung vorschlagen, bei der niedrige Dosen schützend und hohe Dosen schädlich sind. Viele Studien haben dem LNT-Modell widersprochen, und viele von ihnen haben eine adaptive Reaktion auf niedrig dosierte Strahlung gezeigt, was zu reduzierten Mutationen und Krebs führt. Dieses Phänomen ist bekannt alsStrahlenhormese .