Was ist Sievert – Gray – Becquerel – Conversion – Berechnung – Definition

Im Strahlenschutz ist das Sievert eine abgeleitete Einheit aus Äquivalentdosis und effektiver Dosis. Das Sievert repräsentiert den äquivalenten biologischen Effekt der Ablagerung eines Joules Gammastrahlenenergie in einem Kilogramm menschlichem Gewebe. Aber in welcher Beziehung stehen Becquerels (Radioaktivität) und Sieverts (Äquivalentdosis)?

In den vorangegangenen Kapiteln haben wir die Radioaktivität und die Intensität einer radioaktiven Quelle erörtert , die normalerweise in Becquerel gemessen wird . Jede radioaktive Quelle stellt jedoch kein biologisches Risiko dar , solange sie von der Umwelt isoliert ist. Wenn jedoch Personen oder ein anderes System (auch nicht biologisch) Strahlung ausgesetzt sind, lagert sich Energie im Material ab und es wird eine Strahlungsdosis abgegeben.

Es ist daher sehr wichtig, zwischen der Radioaktivität einer radioaktiven Quelle und der Strahlungsdosis zu unterscheiden, die sich aus der Quelle ergeben kann. Im Allgemeinen hängt die Strahlungsdosis von den folgenden Faktoren in Bezug auf die radioaktive Quelle ab:

• Aktivität. Die Aktivität der Quelle beeinflusst direkt die im Material abgelagerte Strahlungsdosis.
• Art der Strahlung . Jede Strahlungsart interagiert auf unterschiedliche Weise mit der Materie . Beispielsweise können geladene Teilchen mit hohen Energien Atome direkt ionisieren. Andererseits interagieren elektrisch neutrale Teilchen nur indirekt, können aber auch einen Teil oder alle ihre Energien auf die Materie übertragen.
• Entfernung. Die Höhe der Strahlenexposition hängt vom Abstand zur Strahlungsquelle ab. Ähnlich wie bei der Hitze eines Feuers ist die Intensität der Wärmestrahlung zu hoch und Sie können sich verbrennen. Wenn Sie in der richtigen Entfernung sind, können Sie dort problemlos bestehen und es ist außerdem bequem. Wenn Sie zu weit von der Wärmequelle entfernt sind, kann Ihnen auch die unzureichende Wärme schaden. Diese Analogie kann in gewissem Sinne auch auf Strahlung von Strahlungsquellen angewendet werden.
• Zeit. Die Höhe der Strahlenexposition hängt direkt (linear) von der Zeit ab, die Menschen in der Nähe der Strahlungsquelle verbringen.
• Abschirmung. Schließlich hängt die Strahlungsdosis auch vom Material zwischen Quelle und Objekt ab. Wenn die Quelle zu intensiv ist und Zeit oder Entfernung keinen ausreichenden Strahlenschutz bieten, kann die Abschirmung verwendet werden.

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.

Sievert und Grey

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 die Nicht-SI-Einheit rad verwendet, überwiegend in den USA.

Zum Strahlenschutz wird die absorbierte Dosis über ein Organ oder Gewebe T gemittelt, und dieser Durchschnitt der absorbierten Dosis wird für die Strahlungsqualität in Bezug auf den Strahlungsgewichtungsfaktor w _R für die Art und Energie der auf die Strahlung einfallenden Strahlung gewichtet Körper. 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 . Eine durch Gammastrahlung verursachte Dosis von einem Sv entspricht einer Energiedeposition von einem Joule in einem Kilogramm eines Gewebes. Das heißt, ein Sievert entspricht einem Grau von Gammastrahlen, die in bestimmten Geweben abgelagert sind. Andererseits kann ein ähnlicher biologischer Schaden (ein Sievert) nur durch 1/20 Grau der Alphastrahlung verursacht werden (aufgrund des hohen w _R der Alphastrahlung). Daher ist der Sievert keine physikalische Dosiseinheit. Beispielsweise führt eine von Alpha-Partikeln absorbierte Dosis 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 der Dosis 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.

Ein Sievert ist eine große Menge einer äquivalenten Dosis. Eine Person, die eine Ganzkörperdosis von 1 Sv absorbiert hat, hat ein Joule Energie in jedem kg Körpergewebe absorbiert (bei Gammastrahlen).

 In Industrie und Medizin gemessene äquivalente Dosen haben normalerweise 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

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.

Siehe auch: Qualitätsfaktor

Effektive Dosis – Sieverts

Die effektive Dosis ist eine Dosismenge, die als die Summe der gewebeäquivalenten Dosen definiert ist, die mit den Gewichtungsfaktoren des ICRP-Organs (Gewebes) w _T gewichtet sind, wobei die unterschiedliche Empfindlichkeit verschiedener Organe und Gewebe gegenüber Strahlung berücksichtigt wird.

Die effektive Dosis ermöglicht es, die biologischen Folgen einer teilweisen Bestrahlung (ungleichmäßig) bis zu den Folgen einer vollständigen Bestrahlung zu bestimmen. Verschiedene Körpergewebe reagieren auf unterschiedliche Weise auf ionisierende Strahlung. Daher hat das ICRP bestimmten Geweben und Organen Empfindlichkeitsfaktoren zugewiesen, sodass der Effekt der teilweisen Bestrahlung berechnet werden kann, wenn die bestrahlten Bereiche bekannt sind.

In Veröffentlichung 60 definierte das 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 zum Strahlenschutz, einschließlich der allgemeinen Risikobewertung. Mathematisch kann die effektive Dosis ausgedrückt werden als:

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.

Berechnung der abgeschirmten Dosisleistung in Sieverts

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 Grau 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 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: