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TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 2.6 Röntgenstrahlung.

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1 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/ Röntgenstrahlung Ionisierende Strahlung entsteht entweder, wie in den vorangehenden Ab- schnitten geschildert, durch die verschiedenen Arten von Radioaktivität oder wird gezielt (Röntgenstrahl–, Beschleunigerquellen) bzw. ungewollt (Störstrahler) in Anlagen mit beschleunigten Ladungen bis hin zu super- heißen Plasmen (Sternen) erzeugt. Die Röntgenstrahlung wurde 1895 durch Röntgen bei Arbeiten über Eigen- schaften von Kathodenstrahlen entdeckt und X–Strahlen (heute noch engl.: X–ray) genannt. Erst 1912 wurde von v. Laue, Friedrich und Knipping durch Beugung der Strahlen an Kristallen nachgewiesen, dass es sich bei der Röntgenstrahlung um elektromagnetische Wellen handelt. Eigenschaften und Wirkung der Röntgenstrahlen sind identisch mit denen von –Strah- lung gleicher Energie, beide Strahlungsarten unterscheiden sich nur durch ihren Ur- sprung. Während Röntgenstrahlung bei Übergängen der Hüllen–Elektronen des Atoms (charakteristische Röntgenstrahlung) oder durch unelastische Wechselwirkung gelade- ner Teilchen mit dem Coulombfeld der Kerne (Bremsstrahlung) ausgesendet wird, ent- steht –Strahlung bei Übergängen zwischen verschiedenen Kernzuständen.

2 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 Röntgenstrahlen bzw. Röntgenphotonen besitzen typischerweise: Energien:100 eV < E(Rö) < 500 keV · Wellenlängen: 10 –8 m > (Rö) > 3 10 –12 m · Frequenzen: s–1 < (Rö) < 1020 s –1 Mit Beschleunigern kann heute jedoch Röntgenstrahlung mit Energien erzeugt werden, die die der –Strahlung weit übertreffen kann. Gemäß der Maxwellschen Theorie erzeugt die Abbremsung (dE/dt konst) von geladenen Teilchen (z. B. Elektronen) elektromagnetische Strahlung. Werden z. B. Elektronen mit einer Spannung von ca. 50 kV auf ein Target–Anoden–Material beschleunigt, so werden diese primären Elektronen im Coulombfeld der Kerne des Anodenmaterials auf einer sehr kurzen Strecke von ca. 10 –6 m = 1 m abgebremst und dabei sog. Röntgenbremsstrahlung erzeugt. Röntgenbremsstrahlung besitzt ein kontinuierliches Wellenlängen– bzw. Energiespektrum, die kurzwellige Grenze entspricht der Abbremsung der Primärelektronen in einem Schritt..

3 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 Schematischer Aufbau einer Röntgenröhre Der überwiegende Teil der Energie des Primärelektrons wird in Stoß– bzw. Wechselwirkungsprozessen mit kleinem Energieübertrag, d. h. letztlich in Wärme umgesetzt. Es gilt: E(hν Rö ) < 1% (E kin (e - )) Kühlung der Anode ist sehr wichtig!

4 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 Spektrale Verteilung und Intensität der Röntgenbremsstrahlung als Funktion der Röhrenspannung und des Targetmaterials:

5 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 Schematische Darstellung der Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung und typisches Röntgenemissionsspektrum für eU Rö > E Ion (K-Schale)

6 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 I = I o exp (– d) µ = Massenschwächungskoeffizient Schwächung von Röntgenstrahlung 3 Z 3 bzw. Z 3 1 / E 3 Schwächungsgesetz Prinzipielles Absorptionsverhalten (abgesehen von sog. Absorptionskanten) Röntgenstrahlungs-Härte = Durchdringungsfähigkeit = große Energie Halbwertsdicke d 1/2 Hundertsteldicked 1/100 für bestimmte Absorbermaterialien und Röntgenlinien (s. Tabelle im Kompendium)

7 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 Störstrahler Als Störstrahler werden Geräte, Anlagen oder Vorrichtungen bezeichnet, in denen Röntgenstrahlen unerwünscht erzeugt werden (oft durch Sekundäreffekte). z.B. Fernsehgerät (Braunsche Röhre), Computermonitor, Elektronenmikroskop, aber auch die wesentlich problematischeren Teilchenbeschleuniger Der Strahlenschutz betreffend Röntgenstrahlen, d. h. Schutz vor deren ionisieren- der und dissoziierender Wirkung, ist völlig identisch mit dem Schutz vor –Strahlung. Es existiert jedoch ein ganz wesentlicher Vorteil: Röntgen – und auch Störstrahlung ist abschaltbar !! D. h. der Strahlenbelastung sind Personen nur für den Zeitraum ausgesetzt, in dem die Anlage wirklich betrieben werden muss und das sind oft nur kurze Zeitintervalle.

8 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 3. Strahlenmesstechnik 3.1 Aktivität und Quellstärke In der Strahlenmesstechnik werden sowohl die Strahlenquellen (das Strahlungs- feld), als auch die Wirkung der Strahlung auf Materie mit objektiven physikalischen Größen wie z. B. Aktivität und Dosis beschrieben. Die Einheiten, in denen die Größen anzugeben sind, wurden vor einigen Jahren neu festgelegt, so dass heute offiziell nur noch Einheiten zulässig sind, die sich direkt aus den SI–Basiseinheiten ableiten lassen Die Aktivität A (oder Präparatstärke) einer radioaktiven Strahlungsquelle ist die Anzahl der radioaktiven Zerfallsereignisse pro Zeiteinheit in der Substanz der Quelle. N = Anzahl der umwandelbaren Atomkerne, = Zerfallskonstante, T H = Halbwertszeit Einheit der Aktivität: 1 Bq (= 1 Becquerel) = 1 s –1, (alt: 1Ci = 3,7 x Bq ) Quellstärke = Aktivität, die aus der Quelle wirklich austritt! Für StrlSch relevant!

9 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/ Verschiedene Begriffe der Dosis und Dosisleistung Durch das Einwirken von radioaktiver Strahlung auf Materie wird auf die Materie Energie übertragen, die u.a. zur Dissoziation von Molekülen und besonders zur deren Ionisierung führt. Historisch wird zwischen direkt ionisierender Strahlung, die aus geladenen Teilchen (z. B. Elektronen, –Teilchen) besteht und aufgrund ihrer unmittelbaren (direkten) Wechselwirkung nur eine kurze Reichweite in Materie besitzt (hohe Ionisationsdichte) und indirekt ionisierender Strahlung, die aus elektrisch neutralen Teilchen (Neutronen) oder elektromagnetischer Wellenstrahlung (Photonen– = – oder Röntgenstrahlung) besteht. Natürlich können insbesondere Photonen direkt ionisieren, allerdings ist ihre Wechselwirkung mit Materie gering und ihre Reichweite in Materie größer. Ihre Ionisationswirkung erfolgt überwiegend indirekt über photoionisierte Elektronen, die fast die gesamte Photonenenergie (abzüglich Ionisationsenergie) übertragen bekommen und ihrerseits eine direkte Ionisation durchführen. Die Wirkung der Strahlung auf Materie ist natürlich dem Betrag der absorbierten Ener- gie proportional, aber auch von der Art und Weise (Dichte) des Energieübertrages. Die Wirkung der Strahlung durch Energieübertrag, Ionisationsmenge, Energie– bzw. Ionisationsdichte wird mit verschiedenen Dosisbegriffen beschrieben.

10 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/ Energiedosis und -Dosisleistung D = dE / dm bzw. bei homogenem Material D = dE / dV = Dichte, dV = Volumenelement Energiedosis D = Energieeintrag dE pro Masseelement dm Einheit der Energiedosis: 1 Gy (= 1 Gray) = 1 J kg –1 Energiedosisleistung D : ˙ D = dD / dt (Einheit: Gy s –1 ) ˙ D A / r 2 D = k A / r 2 ˙ ˙˙ In der Praxis ist die Beziehung zwischen der Ursache (Präparat der Aktivität A) und der Wirkung (Dosis / Dosisleistung) von Interesse. Für punktförmige Quellen gilt: k = γ -Dosisleistungskonstante

11 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/ Äquivalentdosis und -Dosisleistung Wirkung ionisierender Strahlung auf biologisches Material absorbierte Energiebetrag bzw. die Energiedosis reicht nicht aus! Es muss berücksichtigt werden, wie die Energie auf das biologische Material (Gewebe) übertragen wird. H = Q D oder H = RBW D oder H = w R D H = Äquivalentdosis ( Einheit:1 Sv (= 1 Sievert) = 1 J kg –1 Q = Qualitätsfaktor oder relative biologische Wirksamkeit (RBW) w R = Strahlungswichtungsfaktor Die Äquivalentdosis ist eine radiologisch bewertete Energiedosis ! Äquivalentdosisleistung : H = Q dD/dt Einheit: Sv s –1 = W kg –1.

12 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 Der Qualitätsfaktor bzw. die relative biologische Wirksamkeit von absor- bierter Strahlung hängt letztlich von der Energiedichte ab, mit der Strah- lungsenergie in Gewebe deponiert wird. Als charakteristische Größe dafür gilt der sog. Lineare Energietransfer LET. Der LET oder oder das lineare Energieübertragungsvermögen gibt an, wieviel Energie von ionisierender Strahlung lokal (pro Längeneinheit) auf das Medium übertragen wird. Zwar klare Korrelation Q ~ LET, aber der Qualitätsfaktor Q oder Strahlungswichtungsfaktor w R wird letztlich gesetzlich festgelegt, i.d.R. auf einen Wert! z.B. w R /Q = 1 für e - und Photonen, obwohl LET = f(E) Der Lineare Energietransfer (LET) geladener Teilchen in einem Medium ist der Quotient aus dem mittleren Energieverlust dE, den das Teilchen durch Stöße erleidet, bei denen der Energieverlust kleiner als eine vorgegebene Energie ist, und dem dabei zurückgelegten Weg des Teilchens ds: = 50 eV L 50

13 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 Abhängigkeit des Qualitätsfaktors Q geladener Teilchen von ihrer kine- tischen Energie E ( Anlage XIV, StrlschV ) a: Elektronen, Röntgen–, Gammastrahlung, b: Myonen, c: –Mesonen, d: K–Mesonen, e: Protonen, f: Deuteronen, g: Tritonen, h: 3 He–Ionen, i: –Teilchen a i i a

14 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 Strahlungsart LET keV/µm Q /w R Photonen< 3,51 Elektronen< 3,51 Protonen (f(E))5 -Teilchen (f(E))20 Neutronen (f(E))5-20 schwere Kernesehr groß20

15 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/ Neues Konzept der Dosisgrößen im Strahlenschutz Die neue StrlschV unterscheidet bei den Dosisgrößen zwischen Körperdosen (Organdosis, effektive Dosis) als Schutzgrößen, für die z. B. personenbezogene Jahresgrenzwerte festgelegt sind, Äquivalentdosen als Messgrößen (operative Größen) in der Orts– und Personendosimetrie Alle diese Größen sind radiobiologisch bewertete Energiedosen Den beiden Größengruppen liegen jedoch unterschiedliche Konzepte der radiobiologischen Bewertung (und i.d.R. die Verwendung verschiedene Messverfahren/-geräte) zugrunde: Für die Schutzgrößen ist dies der Strahlungswichtungsfaktor w R, für die Messgrößen der Qualitätsfaktor Q. Für Photonen und Elektronen sind w R und Q vereinbarungsgemäß 1. und

16 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/ Körperdosisgrößen/Schutzgrößen Im praktischen Strahlenschutz interessiert i. d.R. nur das Risiko sog. stochastischer Effekte (z.B. das Krebsrisiko). Das Auftreten derartiger Effekte ist sowohl von der Art des bestrahlten Gewebes, als auch von der Art der Strahlung (Photonen, –, –Teilchen etc.) als auch von den Umständen der Bestrahlung (Dosisleistung, zeitliche Verteilung etc.) abhängig Die Organ -(Äquivalent-) Dosis ist die mit dem Strahlungswichtungsfaktor w R für die Strahlenart R gewichtete mittlere Energiedosis D T, R in einem Organ T. H T = w R D T,R ( Einheit: 1 Sv (Sievert) = 1 J kg–1)

17 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 Die effektive Dosis E ist die Summe der jeweils mit dem Gewebewichtungsfaktor w T für das Organ T. gewichteten Organ–(Äquivalent–)Dosen H T Die effektive Dosis E ist eine auf den ganzen Körper bezogenen Größe und kann sowohl bei homogener Exposition des gesamten Körpers als auch bei einer Teilkörperexposition in gleicher Weise in Beziehung zum Strahlenrisiko gesetzt werden. Sie ist deshalb eine geeignete Größe bei der Angabe von Grenzwerten bei Strahlenexpositionen.

18 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 Art der StrahlungStrahlungswichtungsfaktor w R Photonen,alle Energien 1 Elektronen,alle Energien 1 Neutronen, energieabhängig Protonen, E > 2 MeV 5 -Teilchen, schwere Kerne 20 Gewebe oder OrganeGewebe-Wichtungsfaktor w T Keimdrüsen (Gonaden)0,20 Knochenmark, Dickdarm, Lunge, Magenje 0,12 Blase, Brust, Leber,Speiseröhre,Schilddrüse je 0,05 Haut, Knochenoberflächeje 0,01 alle restliche Organe oder Gewebe0,05

19 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 Mess-/operative Größen für die Dosismessung Körperdosen sind in der Regel nicht messbar, da sie als Mittelwerte über Organe und Gewebe in Personen definiert sind. Um eine Aussage über die Körperdosen strahlenexponierter Per- sonen machen zu können, führt man für extern einfallende Strahlung zusätzlich Größen ein, die einerseits messbar und andererseits unter realistischen Expositionsbedingungen eine Abschätzung für die Körperdosen liefern können. Ortsdosis-Messgrößen (Messgerät): Umgebungs–Äquivalentdosis H*(10) Richtungs–Äquivalentdosis H'(0,07, ) Personendosis-Messgrößen (Personendosimeter): Tiefen-Personendosis Oberflächenpersonendosis

20 TECHNISCHE UNIVERSITÄT KAISERSLAUTERN Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 Aufbau und Funktion von Strahlungsmessgeräten


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