Dosisbegriffe

Trifft ionisierende Strahlung auf Materie, wird nur die absorbierte Energie biologisch wirksam. Die aus dem bestrahlten Massenelement austretende Strahlungsenergie bleibt wirkungslos. Die Energiedosis D ist ein Maß für die von einem Massenelement absorbierte Energie. Die von einem Medium der Dichte ρ absorbierte Energiedosis wird als Dmed

bezeichnet. Sie berechnet sich entsprechend

dV dE dm

D dE

med abs med abs

med  

 (1)

aus der absorbierten Energie dEabs und der Masse dmmed des bestrahlten Volumenelements dV. Entsprechend dem internationalen Einheitensystem ergibt sich als abgeleitete SI-Einheit Joule pro Kilogramm (J/kg). Der besondere Einheitenname für die Energiedosis ist Gray, Kurzzeichen Gy. Es ist 1 Gy = 1 J/kg.

Die Strahlungsabsorption ist abhängig von der Art des absorbierenden Stoffes. Die Absorptionswahrscheinlichkeit hängt von der Dichte und der Ordnungszahl des absorbierenden Stoffes ab. Bei gleicher Anzahl an Ionisationen sind die Energiedosen daher in verschiedenen Materialien abhängig von der atomaren Zusammensetzung der Absorber.

Aus diesem Grund muss bei der Angabe der Energiedosis auch angegeben werden, in welchem Stoff die Absorption stattfindet. Die Energiedosis wird aus praktischen Gründen

nicht direkt gemessen, sondern über die Hilfsgrößen Ionendosis oder Kerma bestimmt (KRIEGER 2002, S. 284).

2.1.3.2 Ionendosis

Insbesondere beim Umgang mit Gamma- und Röntgenstrahlung wird auch die Ionendosis verwendet. Die Ionendosis J ist eine physikalische Größe zur Messung ionisierender Strahlung. Sie ist ein Maß für die Menge an ionisierender Strahlung, die beim Durchgang durch ein Kilogramm Luft eine Ladung (eines Vorzeichens) von 1 Coulomb erzeugt. Sie hat also die Dimension Ladung pro Masse und ergibt sich entsprechend

dV dQ dm

J dQ

a a





 

1 (2)

dQ ist die elektrische Ladung der Ionen eines Vorzeichens, die in Luft (a) in einem Volumenelement dV des Materials durch Strahlung gebildet wird. dma steht für die Masse der bestrahlten Luft. Die Einheit der Ionendosis ist das Coulomb pro Kilogramm (C/kg). Für jede Ionisierung eines Atoms ist eine bestimmte Energie, die so genannte Ionisierungsenergie, notwendig. Es besteht daher zwischen der Energiedosis und der Ionendosis folgender Zusammenhang:

e J

DE^ion (3)

Dabei bezeichnen Eion die mittlere Ionisierungsenergie für Luft (33,7eV) und e die Elementarladung (Ladung eines Elektrons).

Zur Messung der Ionendosis dienen z. B. Stabdosimeter, Ionisationskammern oder Zählrohre (KRIEGER 2002, S. 284).

2.1.3.3 Kerma

Bei indirekt ionisierender Strahlung erfolgt die Übertragung der Energie auf Materie in zwei Stufen. Zunächst wird über die elementaren Wechselwirkungen ein Fluss an geladenen Sekundärteilchen erzeugt. Die zu dieser ersten Wechselwirkungsstufe gehörende Messgröße ist die Kerma. In einem zweiten Schritt geben die Sekundärteilchen ihre Bewegungsenergie in einer Vielzahl von Wechselwirkungen an das umgebende Medium ab. Dabei werden weitere Elektronen erzeugt, die den größten Teil der Bewegungsenergie der Sekundärteilchen übernehmen. Die zur zweiten Stufe gehörigen Messgrößen sind die Ionendosis (s. Kap.

2.1.3.2) und die Energiedosis (s. Kap. 1).

Der Begriff Kerma ist eine Abkürzung und setzt sich aus den Anfangsbuchstaben der Worte Kinetic Energy realesd per unit mass zusammen. Die Kerma ergibt sich aus der auf die Sekundärteilchen der ersten Generation übertragenen Bewegungsenergie dividiert durch die bestrahlte Masse.

dm

KdE^tr (4)

Die SI-Einheit der Kerma ist das Gray (Gy). Da die Kerma vom bestrahlten Medium abhängig ist, muss bei der Messung der Kerma das Umgebungsmaterial berücksichtigt werden. Zur Angabe der Kerma gehört daher auch die Angabe der Umgebung und des Sondenmediums. Eine korrekte Bezeichnung der Kerma würde daher beispielsweise wie folgt lauten: Luftkerma gemessen in Luft: (Ka)a. Der außerhalb der Klammern stehende Index gibt dabei das Umgebungsmaterial, der innerhalb der Klammern stehende Index das Mess- bzw.

Bezugsmedium an (REICH 1990, S. 87 – 89, KIEFER u. KIEFER 2003, S. 28 – 29).

2.1.3.4 Äquivalentdosis

Verschiedene Strahlungsarten haben unterschiedliche biologische Wirksamkeiten.

Alphastrahlung wirkt bei gleicher Energiedosis deutlich stärker als Röntgen- oder Gammastrahlung. Diese Unterschiede werden in der Äquivalentdosis berücksichtigt. Sie ist ein Maß für die biologische Wirkung von ionisierenden Strahlen auf den Menschen. Definiert ist die Äquivalentdosis entsprechend

D Q

H  

als die vom Körper aufgenommene Energiedosis D, multipliziert mit einem Qualitätsfaktor Q, der den Einfluss der für die verschiedenen Strahlenarten unterschiedlichen Energieverteilung im zellulären Bereich im bestrahlten Körper berücksichtigt. Die SI-Einheit der Äquivalentdosis ist Joule pro Kilogramm (J/kg), da der Qualitätsfaktor dimensionslos ist. Um den Unterschied zur Energiedosis klarzustellen, hat die Äquivalentdosis eine eigene Einheit erhalten, das Sievert (Sv). Der Qualitätsfaktor beträgt für Röntgen-, Gamma- und Betastrahlung 1, für Neutronenstrahlung 10, für Alphastrahlung und schwere Ionen 20 (KRIEGER 2002, S. 288).

2.1.3.5 Dosisleistung

Will man wissen, wie groß die Exposition durch ionisierende Strahlung an einem bestimmten Ort pro Zeiteinheit ist, wird der Begriff der Dosisleistung entsprechend Dosisleistung = Dosis / Zeit verwendet. Die Einheit der Dosisleistung ist daher Gray pro Sekunde (Gy/s) für die Energiedosisleistung oder, viel häufiger in Verwendung, Sievert pro Sekunde (Sv/s) als Einheit der Äquivalentdosisleistung. Da diese Einheiten meist zu groß sind, arbeitet man mit Teilen bzw. Vielfachen. Gebräuchlich sind in diesem Zusammenhang:

1 Millisievert pro Stunde = 1 mSv/h = 0,001 Sv/h 1 Mikrosievert pro Stunde = 1 µSv/h = 0,000 001 Sv/h (GORETZKI 1987, S. 56, VOGT u. SCHULTZ 2007, S. 74)

2.1.3.6 Strahlenschutzrelevante Dosisgrößen

Um die biologische Wirkung von ionisierender Strahlung und das daraus resultierende Strahlenrisiko abschätzen zu können, wurden weitere Dosisgrößen eingeführt.

Die Organdosis HT ist definiert als die in einem bestimmten Organ, Gewebe oder Körperteil aufgenommene Energiedosis DT durch ionisierende Strahlung, entsprechend

T R

T

w D

H  

multipliziert mit dem Strahlungswichtungsfaktor wR. Ihre Einheit ist Sievert (Sv). Ähnlich wie die Äquivalentdosis durch den Qualitätsfaktor, so berücksichtigt die Organdosis die unterschiedliche Wirkung der verschiedenen Strahlungsarten auf das Gewebe mit Hilfe der Strahlungswichtungsfaktoren.

Die Wirkungen räumlich inhomogener Bestrahlungen werden mit der effektiven Dosis beschrieben. Dazu werden die Organdosen jeweils mit einem Gewebewichtungsfakor multipliziert, der umso größer ist, je strahlenempfindlicher ein Organ ist. Die Keimdrüsen beispielsweise haben einen hohen Gewebewichtungsfaktor. Laut der neusten ICRP Publikation liegt dieser für wGonaden bei 0,08 (ICRP 2008). In den Gesetzen und Verordnungen Deutschlands (und Europas) gilt weiterhin der Wert 0,20. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Empfehlungen der ICRP in den nächsten Jahren in nationales Recht umgesetzt werden. Muskeln oder Nerven haben einen kleinen Gewebe-Wichtungsfaktor (0,05). Die Summe aller Gewebe-Wichtungsfaktoren ist 1.

Die Einheit der effektiven Dosis ist Sievert (Sv). Zur Berechnung der effektiven Dosis (Deff) werden die Organdosen HT entsprechend

T

w

H

E   

mit dem Gewebewichtungsfaktor wT des Organs T multipliziert. Die Summe der gewichteten Organdosen ergibt dann die effektive Dosis. Die effektive Dosis bezieht also sowohl die unterschiedliche Wirkung verschiedener Strahlungsarten als auch die unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe auf ionisierende Strahlung mit ein.

Für Strahlenschutzzwecke werden zusätzlich häufig die Begriffe Personendosis und Ortsdosis verwendet. Die Ortsdosis ist die Äquivalentdosis für Weichteilgewebe, gemessen an einem bestimmten Ort. Als Personendosis wird die Äquivalentdosis für Weichteilgewebe, gemessen an einer für die Strahlenexposition repräsentativen Stelle der Körperoberfläche, bezeichnet.

Die Körperdosis ist ein Sammelbegriff für die Organdosis HT und die effektive Dosis E. Ist also von der Körperdosis die Rede, so ist damit entweder die effektive Dosis oder eine Organdosis gemeint (RÖV 2003).