Wirkungen ionisierender Strahlung auf den Menschen

• Erfahrungen in der Geschichte: Wirkungen ionisierender Strahlung beim Menschen

→ Strahlenexposition im Bergbau

• Begriffe Strahlenexposition

• Dosis: Wirkung ionisierender Strahlung• Energiedosis (Absorbed Dose)

• Energiedosis - Ionendosis

• Äquivalentdosis

• Effektive Dosis

Quantifizierung der Strahlenexposition: Dosisbegriffe

• Dosis - Wirkung ionisierender Strahlung

• Inkorporation und Dosiskoeffizient

• Strahlenexposition des Menschen

→ Strahlenexposition in der Industrie z.B. Knochentumore durch Ra-226 bei Ziffernblattmalerinnen

→ Strahlenexposition in der Medizin z.B. Leukämie bei Röntgenärzten

→ Strahlenexposition in der Forschung z.B. Unfall bei Bestimmung von kritischer Masse des Pu

→ Strahlenexposition durch Atombomben z.B. Hiroshima und Nagasaki → Strahlenexposition nach Unfällen z.B. Sellafield, Brasilien, Tschernobyl, usw.

Erfahrungen in der Geschichte: Wirkungen ionisierender Strahlung beim Menschen

• Strahlenexposition im Bergbau

1556 Georgius Agricola in "De Re Metallica" Beschreibung der Arbeitsbedingungen im Bergbau bei Joachimsthal Bergsucht

1770 C. L. Scheffler, Bergphysikus, Annaberg:beschreibt Symptome der Bergsucht und gibt Ursachen an: Einatmen von arsenhaltigem Staub und "bösen Schwaden"

1879 F. H. Härting, W. Hesse,diagnostizieren Bergkrankheit als "Schneeberger Lungenkrebs"

etwa zur gleichen Zeit in Joachimsthal:ähnliche Erfahrungen, aber es fällt auf, in Gruben außer halb des Erzgebirges mit arsenhaltigem Staub tritt Erhöhung der Lungenkrebs-häufigkeit nicht auf.

Erfahrungen in der Geschichte: Wirkungen ionisierender Strahlung beim Menschen

• Strahlenexposition im Bergbau

1929A. Pirchan, Chefarzt am Joachimsthaler Ra-Institut:Zusammenhang zwischen Inhalation von Rn- und n-Zerfallsprodukte haltiger Staub und dem um ca. 15 Jahre verzögertem Auftreten von Lungenkrebs.

1942 B. Rajewsky, E. Schraub:endgültige Bestätigung dieses Befundes.

1879 F. H. Härting, W. Hesse (Bergärzte),diagnostizieren Bergkrankheit als "Schneeberger Lungenkrebs"

Ionisierende Strahlung ist so energiereich, dass sie, wenn sie Materie trifft, aus den Atomen oder Molekülen, Elektronen aus dem Atom- bzw. Molekülverband entfernt und dadurch chemische Veränderungen erzeugen kann.

Begriffe: Strahlenexposition

Die Einwirkung ionisierender Strahlung auf den menschlichen Körper nennt man Strahlenexposition.

Quelle ionisierender Strahlung im Körper innere Strahlenexposition.

-Strahler können innere und äußere Strahlenexposition verursachen.

Quelle ionisierender Strahlung außerhalb des Körpers äußere oder externe Strahlenexposition

-Strahler verursacht praktisch nur innere Strahlenexposition.

niederenergetische -Strahler verursacht im wesentlichen innere Strahlenexposition.

Dosis - Wirkung ionisierender Strahlung

ionisierende Strahlung, die ohne physikalische Wechselwirkung ein Objekt durchdringt, kann in diesem keine Änderung verursachen

Physikalische Phase der Strahlenwirkung

► Übertragung von Energie► Bildung von Ionen

Aufgabe der Dosimetrie:Entwicklung von Methoden zur Messung der Dosis bei radioaktiven Stoffen: Radioanalytische Methoden

Dosiskonzept

Schematische Darstellung der schädlichen Auswirkungen ionisierender Strahlung auf den Menschen.

Tod des Menschenbei großer Dosis:

einige Sv

Krebs, Mißbildungen

keine Auswirkungen

Reparatur durch körpereigene Mechanismen

Übertragung der Strahlungsenergie auf Atome und Moleküle

Bildung von chemischen Verbindungen im Körper (z. B. Radikale, Zellgifte)

Veränderung von Biomolekülen

Veränderung des Zellstoffwechsels (Schädigung der Zelle)

Zelltod

Keine feststellba-ren Auswirkungen

bei 0,4 Sv

fehlerhaft fehlerfrei

Tod des Menschen

Definition der Energiedosis (Absorbed Dose):

Quantifizierung der Strahlenexposition: Dosisbegriffe

Voraussetzung:

"Absorbed dose of any ionizing radiation is the energy imparted to matter by ionizing particles per unit mass of irradiated material at the placeof interest." ICRU 1957.

"Die absorbierte Dosis irgend einer ionisierenden Strahlung ist die Energie, die an Materie durch ionisierende Teilchen pro Masseneinheit des bestrahlten Stoffes an der interessierenden Stelle abgegeben wird."

→ die ionisierende Strahlung tritt in homogene Materie ein

→ die ionisierende Strahlung hat eine räumliche konstante spektrale Energiefluenz

→ die Energiedosis ist eine überall eine stetig differenzierbare Funktion nach Raum und Zeit

Energiedosis

WD = Win - Wex + WQ

WD: Die durch ionisierende Strahlung auf das Material

in einem Volumen übertragene Energie

Win: Summe der Energien (ohne Ruheenergien) aller

direkt und indirekt ionisierenden Teilchen, die

in das Volumen eintreten.

Wex: Summe der Energien (ohne Ruheenergien) aller

ionisierenden Teilchen, die aus dem Volumen aus-

treten.

WQ: Summe der Reaktions- und Umwandlungsenergie

aller Kern- und Elementarteilchenprozesse, die in

diesem Volumen stattfinden.

dWD .1 dWD

dm r dVD .

Energiedosis

Einheit der Energiedosis

im SI-System:

[D] = 1 J·kg-1 = 1 Gy (Gray)

im cgs-System:

[D] = 100 erg·g-1 = 1 rd

rd ist abgeleitet von r adiation a bsorbed d ose, rad

Energiedosis

1 Gy ?

Ist das viel ?Direkte Messung der Energiedosis ist nur über

Temperaturerhöhung zu bestimmen.

1 Gy bewirkt eine Temperaturerhöhung um 0,0002 °C

LD30,50 = 4 Gy

Ist das viel ? Ja !

Energiedosis - Ionendosis

XS = e·DL

WLXS: Ionendosis, bestimmt mit der Standardionisationskammer

WL: Energieaufwand pro Ionenpaar in Luft: 33,7 eV

e: Elementarladung; e = 1,602·10-19 As = 1,602·10-19 C

DL: Enerigedosis

XS = e·WL

e

Energiedosis - Ionendosis

= 33,7 Jkg-1/Ckg-1XS = e·WL

e

= 0,87 rd/R

= 8,7 mGy/R

Äquivalentdosis

HT = wR· DR,TR

wR: Wert des Strahlenwichtungsfaktor

Repräsentativ für die relative biologische Wirksamkeit der Strahlung für die Induktion stochastischer Effekte

Art und Energiebereich wR-Quanten aller Energien 1Elektronen und Myonen aller Energien 1Neutronen < 10 keV 5

10 keV bis 100 keV 10> 100 keV bis 2 MeV 202 MeV bis 20 MeV 10> 20 MeV 5

Protonen (außer Rückstoßprotonen) 5Alphateichen, Spaltfragmente, 20schwere Kerne

Effektive Dosis E

E = wT·H,TT

wT: beschreibt den relativen Beitrag jedes Organs oder Gewebes zum

gesamten Detriment in bezug zu einer homogenen Bestrahlung

des gesamten Körpers

Effektive Dosis E

Gewebewichtungsfaktoren (*)

ICRP 60, 1990 ICRP 26, 1977Gewebe oder Organ StrlSchVO 2001 StrlSchVO 1989Gonaden 0,20 0,25Knochenmark (rot) 0,12 0,12unterer Dickdarm 0,12Lunge 0,12 0,12Magen 0,12Blase 0,05Brust 0,05 0,15Leber 0,05Speiseröhre 0,05Schilddrüse 0,05 0,03Haut 0,01Knochenoberfläche 0,01 0,03

Rest 0,05 (**) 0,06 (***)

Gewebewichtungsfaktor wT

(*) Die Werte wurden abgeleitet von einer Referenzbevölkerung von gleicher Anzahl beiderlei Geschlechts und einem großen Altersbereich. In der Definitionder effektiven Dosis werden sie angewandt auf Arbeiter, auf die gesamteBevölkerung und auf jedes Geschlecht.

(**) Für Zwecke von Berechnungen ist der Rest zusammengesetzt aus den fol-genden zusätzlichen Geweben und Organen:Nebennieren, Gehirn, oberer Dickdarm, Dünndarm,Niere, Bauchspeicheldrüse, Milz, Thymus(drüse),Gebärmutter

Viele Dosisbegriffe sind für verschiedene Zwecke gebräuchlich.

Quantifizierung der Strahlenexposition: Dosisbegriffe

Für die quantitative und einheitliche Beschreibung der Wirkung ionisierender Strahlung zur Gewährleistung eines ausreichenden Schutzes der Einzelperson vor den schädlichen Auswirkungen ionisierender Strahlung verwendet man die Begriffe Äquivalentdosis als effektive und Organ- bzw. Gewebedosis.

Die Größe „Dosis“ beschreibt das Risiko, an einer strahleninduzierten Tumorerkrankung zu sterben und genetische Schäden bei den Nach-kommen zu verursachen.

Einheit der Äquivalentdosis ist das mSv (milliSievert)

durch 1 Sv effektiver Äquivalentdosis können ca. 540 tödlich verlaufende Tumorerkrankungen bei 10000 bestrahlten Personen verursacht werden.

Dosis - Wirkung ionisierender Strahlung

Grenzwerte der jährlichen Dosis sind einzuhalten

Die Zufuhr von Radionukliden in den menschlichen Körper wird Inkorporation genannt. Je nach der Weise, wie die Zufuhr zustande kommt unterscheidet man:

Inhalation, wenn die Zufuhr durch Aufnahme desRadionuklids mit der Atemluft erfolgt.

Ingestion, bei Zufuhr der Radionuklide mit der Nahrung bzw. dem Trinkwasser

Zufuhr der Radionuklide über die Wunde (verletzte Haut)

Inkorporation und Dosiskoeffizient

Grenzwerte der jährlichen Dosis sind einzuhalten

Zusammenhang zwischen Aktivitätszufuhr und Dosis

Bei einmaliger Aufnahme gilt:

DE = Ejk Aj

bzw.

DO = Ojk Aj

Die Einheit der Dosiskoeffzienten ist: [] = 1 SvBq-1

Dosiskoeffizienten

Nuklid effektiv effektiv

E

O

E

O

3H 4,1.10-11enfällt 4,1.10-11 4,2.10-11

rotes Knochenmark 4,1.10-11

14C 5,8.10-10entfällt 5,8.10-10 5,8.10-10

rotes Knochenmark 5,7.10-10

40K 3,0.10-9U Dickdarm 9,0.10-9 6,2.10-9

U Dickdarm 1,9.10-8

60Co 1,7.10-8Lunge 9,6.10-8 3,4.10-9

U Dickdarm 1,8.10-8

90Sr(90Y) 7,7.10-8Lunge 6,3.10-7 2,8.10-8

rotes Knochenmark 1,8.10-7

90Y 1,7.10-9U Dickdarm 1,3.10-8 2,7.10-9

U Dickdarm 3,1.10-8

137Cs 6,7.10-9Uterus 6,9.10-9 1,3.10-8

Uterus 1,4.10-8

226Ra 2,2.10-6Lunge 1,7.10-5 2,8.10-7

Knochen-oberfläche 1,2.10-5

228Ra 1,7.10-6Knochen-oberfläche 3,6.10-5 6,7.10-7

Knochen-oberfläche 2,2.10-5

228Th 2,5.10-5Lunge 2,1.10-4 7,2.10-8

Knochen-oberfläche 2,5.10-6

232Th 2,9.10-5Knochen-oberfläche 1,5.10-3 2,2.10-7

Knochen-oberfläche 1,2.10-5

235U 6,1.10-6 ET Luftwege 6,9.10-5 4,6.10-8Knochen-oberfläche 7,4.10-7

238U 5,7.10-6 ET Luftwege 6,5.10-5 4,4.10-8Knochen-oberfläche 7,1.10-7

239/240Pu 3,2.10-5Knochen-oberfläche 1,0.10-3 2,5.10-7

Knochen-oberfläche 1,8.10-6

Inhalation (5µ AMAD) IngestionDosiskoeffizienten / Sv/Bq

kritisches Organ kritisches Organ

Beispiel:

Eine Person inkorporiert durch Inhalation einmalig 1000 Bq 3H. Welche effektive Dosis erhält die Person ?

DE(3H) = 4,110-11 Sv/Bq1000 Bq 3H = 4,110-8 Sv = 41 nSv

Vergleich. die natürliche externe Strahlenexposition beträgt ca. 70 nSv/h.

Der ermittelte Dosiswert würde also der natürlichen externen Strahlenexposition von ca. 50 min entsprechen.

Beispiel:

Welche effektive Dosis und welche Dosis für das kritische Organ bzw. Gewebeverursacht die einmalige Inhalation von 1000 Bq 232Th (ca. 250 mg 232Th) ?

Lösung:

Effektive Dosis: DE(232Th) = 2,910-5 Sv/Bq1000 Bq 232Th

= 2,910-2 Sv = 29 mSv

Dosis für das kritische Organ bzw. Gewebe: KnochenoberflächeDO(232Th) = 1,510-3 Sv/Bq1000 Bq 232Th

= 1,5100 Sv = 1500 mSv

Die Strahlenexposition des Menschen

Größenordnungen und Vergleiche der mittleren effektiven Dosis:

Natürliche Quellen

Medizinische Quellen

nur Radon: Normalbevölkerung

Grenzwert (beruflich Strahlexp.)

Tschernobyl

2,4 mSv pro Jahr (2 bis einige 10 mSv pro Jahr)

1,4 mSv pro Jahr (1 bis einige 10 mSv pro Jahr)

1,5 mSv pro Jahr

0,05 mSv pro Jahr

20 mSv pro Jahr

Grenzwert (Bevölkerung) 0,3 mSv pro Jahr