Strahlendosis

Strahlendosis ist eine Größenangabe für die Aufnahme ionisierender Strahlung in Materie. Es gibt Maße sowohl für die Dosisenergie als auch für die Dosisleistung, also die spezifische Arbeit bzw. Leistung pro Masseeinheit.

Energie

Die physikalische Energie einer Strahlung ist die geleistete Arbeit in Materie oder die in ein Volumen übertragene Energie,

• Arbeit (Einheit: J = Joule);

Energiedosis

Das physikalische Maß für die Energiedosis ist die über die gesamte Messzeit aufgenommene Energie bezogen auf die bestrahlte Masse.

Man unterscheidet physikalische Dosisgrößen für verschiedene Anwendungsbereiche:

• Energiedosis D (Einheit: J/kg = Gray, früher auch Rad): Bewegungsenergie aller Sekundärteilchen,
• Kerma K (Einheit: J/kg = Gray): Bewegungsenergie der Sekundärteilchen der ersten Generation.

Ionendosis

Ein anderes physikalisches Maß für die Strahlendosis ist die Ionendosis, die angibt, wie viel Ladung (eines Vorzeichens) in einem Körper durch die Bestrahlung freigesetzt wird:

• Ionendosis J (Einheit: C/kg, früher auch Röntgen).

Bewertete Dosisarbeit

Gleiche physikalische Energiedosen können in biologischen Systemen, wie menschlichen Organen unterschiedliche physiologische Wirkungen haben. Deshalb gibt es zu biologischen Systemen die für verschiedene Strahlenarten radiologisch unterschiedlich bewertete Dosisarbeit:

• Äquivalentdosis H,
• Organdosis H_T,R,
• Effektive Dosis D_eff.

Diese bewerteten Größen haben, ebenso wie die nicht bewerteten Energiedosen, die Einheit J/kg. Um sie jedoch als bewertete Dosen auszuzeichnen, werden sie im internationalen Maßsystem in der physikalischen Einheit Sievert (Sv = J/kg, früher auch REM) angegeben.

Leistung

Die physikalische Leistung einer Strahlung ist die pro Zeiteinheit geleistete Arbeit in Materie oder die durch einen Querschnitt pro Zeiteinheit übertragene Energie,

• Leistung (Einheit: J/s = Joule / Sekunde = Watt);

Dosisleistung

Für alle genannten Messgrößen wird auch eine Dosisleistung definiert: Das ist die aufgenommene Dosis pro Zeiteinheit, also der momentane Differentialquotient der Dosisarbeit nach der Zeit oder ein Mittelwert der differentiellen Energie über eine längere Zeit. Diese Dosisleistung wird also bezogen auf die Masse und auf die Zeit angegeben:

• Dosisleistung (Einheit: J/(kg s) = Gray / Sekunde, nicht bewertet)
• Dosisleistung (Einheit: J/(kg s) = Sievert / Sekunde, bewertet)

Zur Geschichte der Begriffe

Nach der Entdeckung der Röntgenstrahlung (Röntgen, 1895) und der Radioaktivität (Becquerel, 1896) beobachtete man Wirkungen der ionisierenden Strahlung beim Menschen. Versuche, diese zur Therapie zu nutzen, ergaben nach zunächst wechselnden Erfolgen erst dann reproduzierbare therapeutische Resultate, als es gelang, die ionisierende Strahlung in definierter Stärke zu applizieren. Dies kannte man bereits aus der medikamentösen Pharmakologie. Die Strahlendosis entsprach diesem pharmakologischen Konzept. Gemessen wurde aus praktischen Gründen die Ionenladung, die ionisierende Strahlung in Materie, typischerweise in Luft, erzeugt. Diese Ionendosis, die pro Masse gebildete elektrische Ladung, ist eine rein physikalisch messbare Größe. Da jeder Ionisierungsprozess mit einem bestimmten Energieaufwand verknüpft ist, ist die Ionendosis proportional zu einer Energiedosis. Diese durch die ionisierende Strahlung in einem Massenelement deponierten Energie führt zum größten Teil zu einer Erwärmung des Körpers. Die Temperaturerhöhung ist messbar und in neuerer Zeit wird versucht, die Einheit der Energiedosis direkt durch kalorimetrische Messungen (Erwärmung von Wasser) darzustellen. Allerdings ist die Temperaturerhöhung sehr gering: Eine für den Menschen tödliche Dosis (50 Gy) erzeugt in Wasser nur eine Temperaturerhöhung von etwa 0,01 °C. Die besondere Wirkung der Strahlung wird durch die Ionisierung und die dadurch gebildeten freien Radikale hervorgerufen.

Verwendung in der medizinischen Strahlentherapie

Nach heutigen Empfehlungen wird in der medizinischen Strahlentherapie die Energiedosis, also die pro Kilogramm bestrahlter Materie bzw. bestrahlten Gewebes absorbierte Energie, gemessen in Gy (Gray), 1 Gy = 1 J/kg, verwendet. Zur Berücksichtigung unterschiedlicher biologischer Wirksamkeit werden Bewertungsfaktoren (RBW-Faktoren) angewendet.

Die Energiedosis ist eine geeignete Größe zur Abschätzung der direkten Wirkungen im Menschen (deterministische Strahlenschäden). Für gegebene Strahlenart, -energie und Bestrahlungsdauer hängt die Energiedosis von der chemischen Zusammensetzung des Materials ab. Aus diesem Grunde wählt man als Bezugsmaterial z. B. eine gewebeähnliche elementare Zusammensetzung oder Wasser. Die für ein bestimmtes Bezugsmaterial ermittelte Energiedosis kann mit Hilfe von Korrekturfaktoren in die Energiedosis für ein anderes Material umgerechnet werden.

Dosisermittlung bei radioaktiven Strahlern und Dosisleistung

Um eine Beziehung zwischen der Aktivität einer (ideal punktförmigen, unabgeschirmten) radioaktiven Quelle und der von ihr in einem bestimmten Abstand erzeugten Dosis herzustellen, gibt es sogenannte Dosisleistungskonstanten. Die pro Zeiteinheit aufgenommene Strahlendosis wird als Dosisleistung (Einheit: Sv/s oder Sv/h) bezeichnet.

Bei inkorporierten Strahlern kann sich eine Dosisabschätzung schwierig gestalten. Wichtig dafür ist ein Wissen über die Kinetik der Substanz im Körper, d.h. wie es sich im Körper verteilt (also wie die Dosis in Prozentanteilen über die verschiedenen Organe verteilt ist) und auf welche Weise und wie schnell (biologische Halbwertszeit) es ausgeschieden wird, sowie Angaben darüber, wie lange die Inkorporation zurückliegt. Die augenblickliche im Körper verteilte Aktivität kann man z. B. über eine Urinprobenmessung abschätzen.

Die Dosisermittlung ist ein wichtiger Schritt in der Planung einer Strahlentherapie oder nuklearmedizinischen Therapie.

Verwendung im Strahlenschutz

Im Strahlenschutz hat man zur Berücksichtigung des für verschiedene Strahlenarten und für verschiedene Gewebearten unterschiedlichen Strahlenrisikos radiologisch bewertete Dosisgrößen definiert:

• Zur Festlegung von Grenzwerten dient die Körperdosis in Form der Organdosis und der Effektiven Dosis. Mit der effektiven Dosis wird das Auftreten von stochastischen Strahlenschäden quantifiziert.
• Als Strahlenschutzmessgröße dient die Äquivalentdosis in Form der Umgebungsäquivalentdosis oder der Personendosis.

Die gemeinsame Einheit aller radiologisch bewerteter Dosisgrößen ist Sv (Sievert), wobei in vielen Fällen des praktischen Strahlenschutzes (bei Röntgen-, Gamma- und Beta-, also elektromagnetischer und Elektronenstrahlung) gilt: 1 Gy = 1 Sv. Bei Alpha- oder Protonen- sowie Neutronenstrahlung gilt diese Gleichsetzung wegen der höheren biologischen Wirksamkeit, ausgedrückt in den Strahlungswichtungsfaktoren zwischen 5 und 20 (je nach Energie der Protonen oder Neutronen), nicht.

Die Gefährlichkeit des Aufenthalts in der Nähe einer oder mehrerer Strahlungsquellen kann durch die Angabe der an einem Messpunkt herrschenden Dosisleistung charakterisiert werden.

Siehe auch

• ODL-Messnetz des Bundesamtes für Strahlenschutz zur Überwachung der Ortsdosisleistungen in Deutschland
• Strahlenfrühwarnsystem in Österreich
• NADAM in der Schweiz

Literatur

• W. Schlegel, J. Bille (Hrsg.): Medizinische Physik 2, Strahlenphysik. Springer Verlag, 2002, ISBN 3-540-65254-X.
• H. Krieger: Strahlenphysik, Dosimetrie und Strahlenschutz. 3. überarbeitete Auflage. Band 2, Teubner Verlag, 2001, ISBN 3-519-23078-X.

Weblinks

• Wissenswertes zum Strahlenschutz mit ionisierender Strahlung
• Glossar Strahlenschutz des Forschungszentrums Jülich mit Erläuterungen und Definitionen zu radiologischen Dosisbegriffen.
• http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBradioaktivitaet/Strahlendosis.php
• Radioaktivitätsmessnetz des Bundesamts für Strahlenschutz