Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes

Frontmatter

1. Strahlungsarten und Strahlungsfelder

Zusammenfassung

In diesem Kapitel wird zunächst ein Überblick über die in der Medizin und Technik wichtigen Strahlungsarten und deren Eigenschaften gegeben. Strahlungen werden in Korpuskular- und Photonenstrahlungen eingeteilt, die sich vor allem durch das Fehlen einer Ruhemasse bei den Photonen unterscheiden. Beide Strahlungsarten zeigen sowohl Wellen- als auch Korpuskeleigenschaften, die nur im Rahmen der Quantentheorie verstanden werden können. Sie werden deshalb gemeinsam als Teilchen bezeichnet. Die bei ionisierender Strahlung auftretenden hohen Teilchengeschwindigkeiten erfordern eine relativistische Behandlung der Teilchenmassen und Energien. Es folgt deshalb ein kurzer Überblick über die Grundlagen der relativistischen Begriffe. Den Abschluss bildet ein Kapitel, in dem die Größen zur Beschreibung von Strahlungsfeldern und der Wirkungsquerschnitt definiert werden.

Hanno Krieger

2. Atombau

Zusammenfassung

Zur Einführung in die Grundlagen des Atombaus wird zunächst ein kurzer Überblick über die Entstehung und Begründung historischer Atommodelle gegeben. Dann werden die grundlegenden Erkenntnisse zum Aufbau der Atomhülle und des Atomkerns - soweit sie für das weitere Verständnis der praktischen Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes benötigt werden - nach heutigem Stand der Wissenschaft dargestellt. Es werden bewusst keine quantentheoretischen Formalismen verwendet oder erläutert, da diese zum einen den Rahmen des Buches sprengen würden, und zum anderen bereits ausreichend einschlägige Literatur zu dieser Thematik existiert. Hinweise dazu sind im Literaturverzeichnis zu finden.

Hanno Krieger

3. Die radioaktiven Umwandlungen

Zusammenfassung

Dieses Kapitel gibt eine Einführung in die Grundlagen der radioaktiven Umwandlungen. Nach einer kurzen Erläuterung der Terminologie und einem Überblick über die Karlsruher Nuklidkarte werden die einzelnen spontanen Umwandlungsarten erläutert. Für jede Umwandlungsart finden sich ein Abschnitt mit der Energie- und Massenbilanz der jeweiligen Zerfallsart sowie praktische Beispiele.

Hanno Krieger

4. Das Zerfallsgesetz

Zusammenfassung

Dieses Kapitel befasst sich zunächst mit den verschiedenen Aktivitätsdefinitionen. Es folgt ein Abschnitt über das Zerfallsgesetz, also über das Zeitgesetz für die radioaktiven Umwandlungen. Der dritte Teil beschreibt ausführlich die Verfahren zur Aktivitätsanalyse und erläutert die Bedingungen für das radioaktive Gleichgewicht. Im vierten Teil werden die Verfahren und Möglichkeiten zur Halbwertzeitbestimmung erläutert.

Hanno Krieger

5. Natürliche und künstliche Radioaktivität

Zusammenfassung

Dieses Kapitel gibt eine zuerst Einführung in die Grundlagen der natürlichen Radioaktivität. Diese umfasst die Zerfälle und Umwandlungen der primordialen und der kosmogenen Radionuklide. Im zweiten Teil des Kapitels werden kurz die Methoden zur Erzeugung künstlicher Radioaktivität dargestellt.

Hanno Krieger

6. Wechselwirkungen ionisierender Photonenstrahlung

Zusammenfassung

Die Wechselwirkung von Photonen mit Materie findet über fünf elementare Wechselwirkungsprozesse statt. Dabei kann ein Photon mit der Atomhülle oder mit dem Atomkern bzw. dem Coulombfeld des Atomkerns wechselwirken. Alle fünf Wechselwirkungsarten werden wegen ihrer großen Bedeutung für die Strahlungsphysik in diesem Kapitel ausführlich mit ihren Energie- und Materialabhängigkeiten dargestellt. Die Summe der Wechselwirkungskoeffizienten ist der makroskopische lineare Schwächungskoeffizient. Er wird zur Berechnung von Schwächungen von Photonenstrahlungen benötigt. Die davon abgeleiteten Größen Energieumwandlungsund Energieabsorptionskoeffizient, die vor allem für die Dosimetrie ionisierender Strahlung benötigt werden, werden ebenfalls ausgiebig diskutiert.

Hanno Krieger

7. Schwächung von Strahlenbündeln ungeladener Teilchen

Zusammenfassung

In diesem Kapitel wird zunächst das exponentielle Schwächungsgesetz ausführlich erläutert. Unter Schwächung eines Strahlenbündels versteht man die Verminderung der primären Teilchenzahl durch die von Teilchenart und Teilchenenergie abhängigen Wechselwirkungen mit dem Absorbermaterial. Die deutlichen Abweichungen von diesem einfachen exponentiellen Gesetz bei offener Geometrie, bei der die sekundären Wechselwirkungsprodukte im Strahlungsfeld mit erfasst werden, werden im zweiten Abschnitt dieses Kapitels dargestellt.

Hanno Krieger

8. Wechselwirkungen von Neutronenstrahlung

Zusammenfassung

Die in diesem Kapitel beschriebenen Wechselwirkungsprozesse von Neutronen sind dadurch charakterisiert, dass Neutronen keine elektrische Ladung tragen. Sie können also ausschließlich über die starken Kernkräfte mit Atomkernen reagieren. Die Wechselwirkungen sind entweder die elastische oder die inelastische Streuung der Neutronen oder Einfangprozesse. Reaktionsprodukte nach Neutroneneinfang sind oft radioaktiv und können daher als Strahler für Medizin und Technik eingesetzt werden. Neutronen können Atomkerne auch spalten oder durch Spallation zerlegen. Die in der Regel betaminus-aktiven Spaltfragmente sind wichtige Strahlungsquellen für Technik und Medizin.

Hanno Krieger

9. Wechselwirkungen geladener Teilchen

Zusammenfassung

Thema dieses Kapitels sind die Wechselwirkungsprozesse von geladenen Teilchen mit Materie. Die Wechselwirkungsart hängt von der Masse, der Ladung und vom Abstand des einlaufenden Teilchens zum Wechselwirkungszentrum ab. Ausführlich dargestellt wird die Stoßbremsung, die der wichtigste Einfluss eines Absorbers auf ein Strahlenbündel geladener Teilchen ist. Dabei verliert das einlaufende Teilchen durch Ionisationsakte und Anregungen stetig Bewegungsenergie. Leichte geladene Teilchen wie die Elektronen können wegen ihrer leichten Ablenkbarkeit auch durch Strahlungsbremsung Energie verlieren oder sie können gestreut werden. Schwere Teilchen erzeugen bei üblichen radiologischen Energien keine Bremsstrahlung und werden wegen ihrer hohen Massen auch nur wenig elektronisch gestreut, unterliegen aber nuklearen Wechselwirkungen.

Hanno Krieger

10. Ionisierung und Energieübertragung

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden Größen zur Beschreibung der physikalischen Wirkungen ionisierender Strahlung auf Materie dargestellt. Es sind dies die makroskopischen Größen Ionisierungsvermögen, Ionisierungsdichte und Linearer Energieübertrag LET sowie die stochastischen mikrodosimetrischen Messgrößen Lineare Energiedichte und Spezifische Energie.

Hanno Krieger

11. Dosisgrößen

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die verschiedenen Dosisgrößen für die Dosimetrie und den Strahlenschutz beschrieben. Man unterscheidet die physikalischen Dosisgrößen Ionendosis, Energiedosis und Kerma sowie die operativen und rechnerischen Strahlenschutzdosisgrößen, Äquivalentdosis, Organdosis und Effektive Dosis. Das Kapitel endet mit einem Ausblick auf kommende Veränderungen und einem Rückblick auf die historischen Vorläufer der heutigen Strahlenschutzdosisgrößen.

Hanno Krieger

12. Strahlenschutzphantome

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die zur Simulation der menschlichen Anatomie und für die Strahlungsmessung eingesetzten unterschiedlich differenzierten Phantome dargestellt. Diese sind entweder Phantome von einfacher geometrischer Form oder mehr oder weniger detailgetreue anatomische Modelle des Menschen. Da die Körperdosisgrößen Organdosis und Effektive Dosis definitionsgemäß rechnerische Größen und daher nicht unmittelbar zu messen sind, benötigt man zu ihrer Berechnung Rechenmodelle des Menschen. Die in diesem Kapitel gezeigten besonders realistischen Voxelphantome beruhen auf CT-Untersuchungen von lebenden Menschen.

Hanno Krieger

13. Dosisleistungskonstanten, Hautdosisfaktoren und Inkorporationsfaktoren

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden zunächst die Dosisleistungskonstanten für die verschiedenen Strahlungsarten eingeführt und abgeleitet. Mit ihrer Hilfe können aus den Strahlerdaten Ortsdosisleistungen um die Strahler abgeschätzt werden. Aus diesen Ortsdosisleistungen können näherungsweise die für den Strahlenschutz erforderlichen Körperdosen berechnet werden. Im zweiten Teil dieses Kapitels werden die Verfahren zur Berechnung von Hautdosen bei der Kontamination mit Alpha-, Beta- und Gammastrahlungen erläutert. Im letzten Teil werden die Verfahren zur Berechnung von Körperdosen nach Inkorporation von Radionukliden beschrieben.

Hanno Krieger

14. Grundlagen zur Strahlenbiologie der Zelle

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die wichtigsten Grundlagen zur Strahlenbiologie der Zelle erläutert, die für den praktischen medizinischen und technischen Strahlenschutz von Bedeutung sind. Nach einer kurzen schematischen Einführung in den Aufbau menschlicher Zellen und der Erbsubstanz DNS werden die strahlenbiologische Wirkungskette in Zellen und die verschiedenen Strahlenschäden der DNS und ihre Reparaturmechanismen dargestellt. Ausführlich werden die verschiedenen Dosis-Wirkungsmodelle erklärt. Es folgt eine Übersicht über die verschiedenen Parameter der Strahlenwirkung auf menschliche Zellen. Den Abschluss des Kapitels bilden die Definition und Darstellung der relativen biologischen Wirksamkeit RBW verschiedener Strahlungsarten und ihrer Abhängigkeiten.

Hanno Krieger

15. Wirkungen und Risiken ionisierender Strahlung

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden nach einer Darstellung der allgemeinen Strahlenschutzbegriffe und des Risikobegriffs die Schadensarten bei einer Exposition des Menschen mit ionisierender Strahlung behandelt. Diese werden in die deterministischen und die stochastischen Strahlenschäden eingeteilt. Die deterministischen Effekte sind durch kollektiven Untergang oder Veränderungen der bestrahlten Zellen in Geweben oder Organismen charakterisiert. Wegen der Erholungsfähigkeit der meisten Gewebe existieren für deterministische Expositionen Schwellendosen, unterhalb derer keine klinischen Symptome feststellbar sind. Anschließend wird die zweite Kategorie von Strahlenschäden, die stochastischen Schäden dargestellt. Diese werden durch nicht letale Erbgutveränderungen einzelner Zellen ausgelöst. Die Folgen können die Krebsentstehung im bestrahlten Individuum oder die Bildung von an die Nachkommen vererbbaren Gendefekten sein. Letzteres wird als heriditärer Schaden bezeichnet. Gesondert behandelt werden die Strahleneffekte auf die Leibesfrucht bei einer pränatalen Strahlenexposition.

Hanno Krieger

16. Strahlenexpositionen des Menschen mit ionisierender Strahlung

Zusammenfassung

Die Strahlenexposition des Menschen mit ionisierender Strahlung besteht aus zwei Anteilen, der natürlichen und der zivilisatorisch erzeugten bzw. veränderten natürlichen Komponente. In diesem Kapitel werden die einzelnen Quellen dieser Strahlenexpositionen detailliert dargestellt. Der Hauptbeitrag zur natürlichen Strahlenexposition ist im Bevölkerungsmittel auf die interne Exposition mit dem radioaktiven Edelgas 222Rn zurückzuführen. Den größten Beitrag zur mittleren zivilisatorischen Strahlenexposition liefert die medizinische Röntgenstrahlungsanwendung im Rahmen der radiologischen Diagnostik und Interventionen. Die geeignete Dosisgröße zur Beschreibung der in der Regel stochastischen Strahlenexpositionen ist die Effektive Dosis.

Hanno Krieger

17. Strahlenschutzrecht

Zusammenfassung

In diesem Kapitel wird das System des Strahlenschutzrechts vorgestellt. Neben den grundlegenden nationalen Gesetzen und den europäischen Richtlinien sind die Vorschriften in der deutschen Röntgenverordnung und der Strahlenschutzverordnung zusammengefasst. Beide Verordnungen wurden aus Gründen der europäischen Harmonisierung in den letzten Jahren aktualisiert. Praktische Hinweise zum Vollzug der Vorschriften beider Verordnungen finden sich in einschlägigen nationalen Richtlinien und den Normen der DIN.

Hanno Krieger

18. Praktischer Strahlenschutz gegen ionisierende Strahlungen

Zusammenfassung

Beim praktischen Strahlenschutz gegen ionisierende Strahlungen ist zwischen allgemeinen Maßnahmen zur Verringerung einer Strahlenexposition und speziellen Abschirmaufgaben bei der Errichtung oder dem Einsatz von Strahlungsquellen zu unterscheiden. In diesem Kapitel werden zunächst die allgemeinen Maßnahmen zur Verringerung einer Strahlenexposition, die „AAA“ des praktischen Strahlenschutzes, besprochen. Im zweiten Teil werden ausführlich die Verfahren zur Berechnung von Strahlenabschirmungen für die wichtigsten Quellen direkt und indirekt ionisierender Strahlungen dargestellt mit einem Schwerpunkt für die Abschirmmethoden von Photonenstrahlungen der verschiedenen Energiebereiche der Radiologie.

Hanno Krieger

19. Strahlenexpositionen in der medizinischen Radiologie

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die Strahlenexpositionen in der medizinischen Radiologie für Patienten und das Personal dargestellt. Diese individuellen Strahlenexpositionen sind von den mittleren medizinischen Expositionen der Bevölkerung zu unterscheiden, die in Kap. 16 diskutiert wurden. Da die Patientendosen in der Radioonkologie im Rahmen der Therapieplanung individuell bestimmt werden, sollen in diesem Kapitel nur die Dosen der diagnostischen und interventionellen Strahlungsanwendungen dargestellt werden. Der größte Teil dieser medizinischen Strahlenexpositionen geht auf die Radiologie mit Röntgenröhren zurück.

Hanno Krieger

20. Anhang

Zusammenfassung

Das Internationale Einheitensystem (Système International d’Units: SI) ist in Deutschland seit 1970 verbindlich. Die Basiseinheiten sind im Gesetz über die Einheiten im Messwesen festgelegt.

Hanno Krieger

21. Aufgabenlösungen

Hanno Krieger

Backmatter