Anlage A-1.4. Abschirmung ionisierender Strahlung

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1 Anlage A-1.4. Abschirmung ionisierender Strahlung
1.4.1 Generelle Bemerkungen Bei der Abschirmung von ionisierender Strahlung muss prinzipiell zwischen der Abschirmung geladener und neutraler (Teilchen–) Strahlung unterschieden werden. Abschirmung geladene Teilchen (, , p): Da die geladene Teilchenstrahlung eine begrenzte Reichweite Rmax in Materie hat, gilt: Rmax = f(E) < dmin dAbs > dmin  D(primär) = 0 D. h. auf Grund der endlichen Reichweite Rmax geladener Teilchenstrahlung in Materie existiert eine endliche Dicke dmin, in der die gesamte primäre Teilchen-strahlung absorbiert wird. Ist die Dicke der Abschirmung dAbs größer als diese Dicke bzw. die maximale Reichweite, wird hinter dieser Abschirmung überhaupt keine Primärstrahlung mehr registriert. Die Primärdosis Dp ist null. Durch die Abbremsung der Teilchenstrahlung im Absorber entsteht jedoch immer mehr oder weniger Sekundärstrahlung (Bremsstrahlung). 

2   Strahlung/Energie Rmax
Maximale Reichweite Rmax von – bzw. –Strahlung in Luft, Wasser und Aluminium Strahlung/Energie Rmax Luft H2O/Gewebe Al  0,1 MeV 0,1 m 0,1 mm 0,05 mm 1 MeV 3 m 5 mm 1,5 mm 10 MeV 39 m 6 cm 20 mm  5 MeV < 0,1 mm 8 MeV 8 cm

3 Abschirmung neutrale Teilchen (n, ):
Die Abschirmung neutraler Strahlung ist niemals vollständig möglich. Die Intensität der Strahlung kann jedoch durch entsprechendes Material und durch eine entsprechend große Abschirmdicke (ggf. Materialkombination) beliebig reduziert werden. Es gilt: Dmax  Dtoleranz wenn dAbs  dmin Für Abschirmberechnungen ergeben sich daher meist folgende Fragestellungen:  Reicht eine vorhandene Abschirmung aus, um bei der betreffenden Strahlungsquellstärke (Aktivität) die Einhaltung der vorgegebenen Dosis- Grenzwerte zu gewährleisten?  Wie stark und aus welchem Material (bzw. Materialkombination) muss die Abschirmung sein, um diese vorgegebenen Grenzwerte einzuhalten?

4 1.4.2 Abschirmung von Photonenstrahlung
Für den Strahlenschutz und insbesondere für den Strahlenschutz in der Medizin ist die Abschirmung von Röntgen– bzw. –Strahlung von herausragender Bedeutung, da es sich um Strahlung großer Reichweite handelt mit der in vielen Bereichen umgegangen wird. Die Abschirmung von Röntgen– und –Strahlung unterscheidet sich bei gleicher Energie nicht, Wirkung und Abschirmmaßnahmen sind identisch. Sowohl Röntgen– als auch –Strahlung sind elektromagnetische Wellenstrahlung oder Photonen–Strahlung, Für die Absorption ist der Ausdruck „Photonenabsorption“ gebräuchlich. Da die exakte Durchführung von Abschirmberechnungen zu relativ schwierigen mathematischen Problemstellungen führen kann, wird meist von der verein- fachenden Annahme ausgegangen, dass die Quelle punktförmig ist (i.d.R. nur geringer Fehler!). Bei der Berechnung erweist es sich als problematisch, die Erzeugung von „Sekundärphotonen“ zu erfassen, die durch Streu– und Wechselwirkungs­ prozesse im Abschirmungs– oder Umgebungsmaterial entstehen. Ihr Einfluss wird mit Hilfe des sog. Aufbaufaktors B erfasst

5 Die verschiedenen Strahlungsanteile,
die bei der Abschirmungsberechnung berücksichtigt werden müssen, sind: 1) durchgehende Strahlung 2) im Abschirmmaterial absor- bierte Strahlung 3) gestreute Strahlung 3a) im Abschirmmaterial heraus- gestreute Strahlung, die durch den Streueffekt nicht die Person trifft 3b) im Abschirmmaterial erzeugte („aufgebaute“) „Sekundär“– Strahlung, die aufgrund der Streuung die Person trifft 3c) in der Umgebung (im Boden) aufgebaute „Sekundär“–Strah- lung, die aufgrund der Streuung die Person trifft

6 Die Dosisleistung Dges, der eine Person P im Abstand r von einer Photonenquelle der Aktivität A ausgesetzt ist, muss als Summe von „Einzel“–Dosisleistungen D(E) für alle von der Quelle emittierten Photonenenergien E berechnet werden. . ·      D ges Gesamt–Dosisleistung [Sv/h], emittiert die Quelle Photonen verschiedener Energie, so ergibt sich E ges als Summe der Teil– Dosisleistungen. ·      D(E): Teil–Dosisleistung, die von Photonen mit der Energie E erzeugt wird [Sv/h] ·      A Aktivität der „Punktquelle“ [Bq] ·      E: Energie der emittierten Photonen ·      p(E): Wahrscheinlichkeit für die Emission eines Photons der Energie E pro Zerfall in [%] ·      k(E): Dosisleistungsumrechnungsfaktor für Photonen der Energie E [Svcm2  s  h–1] (tabelliert) . ·      B(E, b): Aufbaufaktor für das verwendete Ab schirmmaterial und die verwendete Ab- schirmgeometrie in Abhängigkeit von E und b (tabelliert für viele Materialien) ·      deff = d / cos: effektive Weglänge in der Abschirmung ·      b = (E) . deff: Abschirmweglänge in Relaxationslängen, o. Dimension ·      (E): linearer Schwächungskoeffizient für Pho tonen der Energie E für das verwendete Abschirmmaterial [cm–1] ·      d: Dicke der Abschirmung : Durchdringungswinkel der Strahlung

7 Berechnung der Dosisleistung (vereinfacht)
Teil (1) der obigen Gleichung stellt die Dosisleistung dar, die von einer Quelle der Aktivität A im Abstand r erzeugt wird, wenn keine Abschirmung vorhanden ist und keine Strahlung durch streuende Umgebung aufgebaut wird. k(E), die energieabhängige Dosisleistungs–Aktivitäts–Proportionalitätskonstante, kann für verschiedene Isotope/Isotoplinien aus Tabellen oder aus der entsprechenden graphischen Darstellung entnommen werden. Für eine Punktquelle ergibt sich die bekannte Abnahme der Dosisleistung mit dem Abstand von der Quelle proportional zu 1/r2. Teil (2) erfasst die Erhöhung der Dosisleistung durch Aufbaustrahlung, die entweder im Absor-ber oder in der Umgebung (Wände, Boden, Geräte etc.) durch Streuung zur exponierten Person gelenkt wird. Für Ephoton < 500 keV kann B(E, b) in erster Näherung vernachlässigt und durch einen 20 %igen Zuschlag zur Abschirmdicke ausgeglichen werden. Für große Photonen-energien (z. B. Co 60) muss B(E, b) berücksichtigt werden (tabelliert für gängige Materialien). Teil (3) beschreibt die dosisvermindernde Wirkung der Abschirmung. Sie wächst exponentiell (überproportional) mit der Dicke d und der Absorptionsfähigkeit (E) ( b =  (E) . deff )

8 Aber auch diese vereinfachte Gleichung für die Dosisleistung kann nicht nach d
aufgelöst werden  das wäre wünschenswert!! Zur Vermeidung zeitraubender Prozeduren werden die Gleichungen gewöhnlich für einen Annahme–(Schätz–)Wert von d gelöst und dieser Vorgang wird ggf. solange wiederholt, bis die geeignete Abschirmdicke d ermittelt ist, die die Dosis- leistung auf den vorgegebenen Dosisleistungswert (gesetzliche Vorschrift oder Auflage) reduziert. Die Abschirmungsberechnungen müssten theoretisch für jede der vom Strahler emittierten Energien durchgeführt werden. Praktisch geschieht dies meist nur für die durchdringendste (i. Allg. die höchste) Energie. Beispiel: notwendigen Abschirmdicken Ein Transportbehälter ist für den Transport von Mn 52 (Emax = 1,4 MeV) mit einer Aktivität von 3,71010 Bq dann erlaubt, wenn die Dosisleistung im Abstand von 1 m weniger als 10 Sv/h beträgt.  eine Bleiwandstärke von 110 mm ist erforderlich.

9 Absorptionsmechanismen
Der lineare Schwächungskoeffizient  setzt sich gemäß:  =  +  +  aus den  Absorptionskoeffizienten  (Photoeffekt–Koeffizient),  Streukoeffizienten   Paarbildungskoeffizienten  zusammen. Jeder dieser drei Koeffizienten beschreibt einen charakteristischen Wechselwirkungsprozess der Photonen mit dem Absorbermaterial, bei dem das Photon Energie verliert. Die Photoeffektabsorption  (ein Absorberatom–Hüllenelektron wird durch das Photon angeregt/ionisiert) bildet i. d. R. (EPh < 1 MeV) den Hauptabsorptions- mechanismus. Der Streukoeffizient  wiederum setzt sich additiv aus den drei Anteilen, klassischer Rayleigh–Streuung kl, Comptonstreuung Cs und der Comptonabsorption Ca zusammen. Paarbildungkoeffizient   ein Photon erzeugt zwei Elektronen!  ist erst für EPh > 1 MeV relevant!

10 Beispiel : Massenschwächungskoeffi- zient / von Blei (Pb) , sowie seine Zusammenset- zung aus den einzelnen Schwächungsanteilen gemäß der Schwächungskoeffienten

11 Massenschwächungs- koeffizient µ / Blei (Pb = 11,3 g/cm3),
für: Blei (Pb = 11,3 g/cm3), Kupfer (Cu = 8,9 g/cm3), Aluminium (Al = 2,7 g/cm3) Luft (Luft = 0,0013 g/cm3).

12 Massenschwächungskoeffizient /, Halbwertsdicke d1/2 und
1/100-Dicke d1/100 (Dicke des Absorbermaterials, das die Intensität der eingestrahlten Photonen auf die Hälfte bzw. ein Hundertstel abschwächt) für einige Photonenenergien und Absorbermaterialien. Achtung, hinter großflächigen Abschirmungen werden of erheblich geringere Werte der Schwächung gemessen ( Aufbaufaktor, “Linsenwirkung“ durch Streuung). Strahlung Energie MeV / cm2/g Al Cu Pb d1/2 mm Al Cu Pb d1/100 mm Fe(K) 0,006 94 98 420 0,03 0,01 0,001 0,2 0,06 W(K) 0,3 1,5 5 10 0,6 0,1 67 4 0,8 Ir 192 3 7,7 50 1,4 Co 60 1,33 0,5 12 82

13 4 GBq, 1 m  1 mSv/h 4 MBq, 1 m  1 Sv/h 4 kBq, 1 m  1 nSv/h
Faustformel zur groben Abschätzung der Dosisleistung für eine Quelle der Aktivität A: Für eine grobe Abschätzung der Dosisleistung im Abstand r = 1 m in Luft von einer Quelle ionisierender Strahlung mit der Aktivität A (keine Aufbaustrahlung B(E, b) = 1) wird für die Dosisleistungsumrechnungs– (spezifische Gamma- trahlen–) Konstante ein Wert von  = k / 4 = 0,25 mSv  m2  h–1  GBq–1 verwendet. Dieser Wert führt für Photonenenergien zwischen 0,01 MeV und 2 MeV zur Überschätzung der Strahlenwirkung mit der sog. Faustformel: 4 GBq, 1 m  1 mSv/h 4 MBq, 1 m  1 Sv/h 4 kBq, 1 m  1 nSv/h Dnat, extern ≈ 100 nSv/h  400 kBq in 1m Die Faustformelabschätzung sollte Anlass geben zu: ·      - „sicherheitshalber“ eine vorhandene Abschirmung wirklich einzusetzen oder einfache („Bleiziegel“–) Abschirmungen aufzubauen ·      - genauer über Exposition bzw. Abschirmung nachzudenken (Rechnung) - sich selbst bzw. Mitarbeitern zu verdeutlichen, dass eine Exposition z. B. im Vergleich zur natürlichen Belastung vernachlässigbar ist

14 1.4.3 Abschirmung von –Strahlung
Aufgrund der bereits geschilderten grundsätzli- chen WW-Eigenschaften geladener Teilchen, ( hier Elektronen mit Materie) Erzeugung von sekundärer „Bremsstrahlung“ durch Wechselwirkung sollte eine Abschirmung für –Strahlung aus einer dicken Abschirmung aus leichtem Material (schwache WW, wenig Bremsstrahl- ung)und einer dünnen Abschirmung aus schwerem Material bestehen. Im leichten Material soll die –Strahlung voll- ständig absorbiert werden (d1 > Rmax) und dabei wenig sekundäre Strahlung erzeugen ( Ab- schirmmaterial mit kleiner Kernladungszahl Z). Im schweren Material soll die erzeugte Brems-/ Sekundärstrahlung absorbiert werden ( großes Z).

15 Reichweite der –Strahlung von P32 (E = 1,7 MeV)
Luft H2O Al NaJ Cu Pb  g/cm3 0,0013 1 2.7 3.7 8.92 11.35 R,max 6.0 m 7.6 mm 3 mm 2 mm 0.9 mm 0.67 mm

16 1.4.4 Abschirmung von –Strahlung
Eine Abschirmung gegen –Strahlen ist entbehrlich, da aufgrund der geringen Reichweite in Materie die –Strahlung bereits durch die Kleidung bzw. die tote Hornhautschicht der Haut absorbiert wird. Die direkte Kontamination der Körper- oberfläche muss jedoch unbedingt vermieden werden, da sich sonst die Gefahr der Inkorporation ergibt, die aufgrund der großen relativen biologischen Wirk- samkeit der –Strahlung im Gewebe (Q–Faktor = 20) schlimme Folgen haben kann. Abschirmung von Neutronen–Strahlung Für die Abschwächung von Neutronen (Berech- nung schwierig !!) eignen sich auf Grund der fehlenden elektrischen Wechselwirkung nur leichte Elemente (Energieverlust durch direkte Übertragung von Energie im elastischen Stoß); besonders alle Stoffe, die Wasserstoff enthal- ten (H2O, Plastik, Paraffin usw.). Blei ist dage- gen nahezu wirkungslos für die Abschirmung von Neutronenstrahlung. Bei der Abschwächung von Neutronen entsteht eine sehr harte –Strah- lung (n, –Reaktionen), die durch eine zweite, für –Strahlung geeignete Abschirmung (z. B. Blei) abgeschwächt werden muss.