Äquivalentdosis

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Physikalische Größe
Name Äquivalentdosis
Formelzeichen der Größe H
Abgeleitet von Energiedosis
Größen- und
Einheitensystem
Einheit Dimension
SI Sv L2·T−2

Äquivalentdosis ist eine Dosisangabe für ionisierende Strahlung, die im Strahlenschutz verwendet wird. Sie berücksichtigt neben der übertragenen Energiedosis auch die relative biologische Wirksamkeit (RBW) der verschiedenen Strahlenarten. Beispielsweise sind bei gleicher Energiedosis Alphateilchen um ein Vielfaches wirksamer als Photonen der Gammastrahlung oder Röntgenstrahlung.

Um ein geeignetes einheitliches Maß für alle Strahlenarten und die Wirkung ihrer Expositionen zu erhalten, definiert man für jede Strahlenart Wichtungsfaktoren. Der Wichtungsfaktor drückt die Vielfachheit der Wirksamkeit im Vergleich mit einer Bezugsstrahlung (mit Wichtungsfaktor 1) aus. Gewichtet wird die Energiedosis. Eine gewichtete, d. h. mit dem Wichtungsfaktor multiplizierte Energiedosis wird Äquivalentdosis genannt. Äquivalentdosen jeder Strahlenart können in ihrer Wirkung direkt miteinander verglichen und durch Vergleich mit einer dosisgleichen Exposition der Bezugsstrahlung leicht bewertet werden.

Im Strahlenschutz gibt es zwei Konzepte für die Wichtung. Bei dem einen Konzept werden die Wichtungsfaktoren nach einem Modell entwickelt, das die Wirksamkeit von Strahlung unter biophysikalischen Gesichtspunkten aus dem linearen Energietransfer theoretisch herleitet. Als Bezugsstrahlung fungiert eine mit niedrigem linearen Energietransfer. Der Wichtungsfaktor wird Qualitätsfaktor Q genannt. Bei dem anderen Konzept wird aus realen Beobachtungen stochastischer Effekte die Wirksamkeit einer Strahlenart im Vergleich zu Photonenstrahlung als Bezugsstrahlung ermittelt. Der Wichtungsfaktor ist der Strahlungs-Wichtungsfaktor w_R. Welches Wichtungskonzept angewendet wird, richtet sich nach der zu beschreibenden dosimetrischen Größe. Im Strahlenschutz wird bei Dosisangaben zwischen „Schutzgrößen“ und „Messgrößen“ unterschieden (vgl. ICRP-Publikation 103[1], Ziffern 101 und 102). Erstere sind die Körperdosen, die eigentlich maßgebenden Dosiswerte, die von Organen und Geweben aufgenommen und zu deren Begrenzung Rechtsvorschriften erlassen werden. Da Körperdosen jedoch im praktischen Strahlenschutz der Messung nicht zugänglich sind, muss auf Dosismessgrößen zurückgegriffen werden, von denen auf die Körperdosen geschlossen werden kann.

Da es sich bei den Wichtungsfaktoren um dimensionslose Verhältniszahlen handelt, haben Äquivalentdosen dieselbe physikalische Maßeinheit wie die Energiedosis, also Joule pro Kilogramm. Zur Unterscheidung wird bei Äquivalentdosen die Einheitenbezeichnung Sievert (Sv) benutzt.

Äquivalentdosis als Messgröße[Bearbeiten]

Siehe auch: Qualitätsfaktor

Messgröße ist die Äquivalentdosis H, die der Orts- und Personendosisüberwachung bei äußerer Strahlenexposition dient (vgl. Strahlenschutzverordnung[2], Anlage VI, Teil A). Sie bezieht sich auf Messpunkte und die dort von der Strahlenart R erzeugte Energiedosis D_R. Als Wichtungsfaktor wird der Qualitätsfaktor Q_R verwendet, der von der ICRU (International Commission on Radiation Units and Measurements) für ein standardisiertes Weichteilgewebe definiert ist.

H = Q_R \cdot D_R

Wirken mehr als eine Strahlenart R mit jeweils unterschiedlichen Energiedosen D_R und Qualitätsfaktoren Q_R auf den Messpunkt ein, so addieren sich die jeweiligen Äquivalentdosen.

H = \sum_{R} Q_R \cdot D_R

Eine Ausprägung der Äquivalentdosis H ist die Personendosis H_p(d). Sie bestimmt den Standard für die Kalibrierung von Personendosimetern. Der Messpunkt liegt in standardisierten Weichteil-Phantomen (u. a. ICRU-Kugel) in der Tiefe d[3].

Eine weitere Ausprägung ist die Umgebungs-Äquivalentdosis H^*(10), die den Standard für die Kalibrierung von Messgeräten zur Messung von Ortsdosis und Ortsdosisleistung bestimmt. Der maßgebende Messpunkt liegt in der ICRU-Kugel in einer Tiefe von 10 mm. Ortsdosis und Ortsdosisleistung haben eine überragende Bedeutung im praktischen Strahlenschutz, insbesondere bei Photonenstrahlung. Die Ortsdosisleistung ist die Zunahme der Ortsdosis pro Zeiteinheit, die von andauernder Strahlung bewirkt wird. Sie wird meist in Mikrosievert pro Stunde (µSv/h) gemessen.

Äquivalentdosis als Schutzgröße[Bearbeiten]

Schutzgröße bzw. Körperdosis ist die Organdosis H_T. Bei der Inkorporation von Radionukliden ist Schutzgröße die Organ-Folgedosis. Die Dosisangaben beziehen sich auf die über ein Organ oder ein Gewebe T gemittelte Energiedosis D_T der Strahlenart R. Wichtungsfaktor ist der Strahlungs-Wichtungsfaktor w_R.

H_T = w_R \cdot D_{T,R}

Wirken Strahlenarten R mit unterschiedlichen Werten für w_R und Energiedosen D_{T,R} auf das Organ T ein, so addieren sich die diesbezüglichen Äquivalentdosen.

H_T = \sum_{R} w_R \cdot D_{T,R}

Wegen Einzelheiten der Definition und der Größe des Strahlungs-Wichtungsfaktors für Strahlenarten siehe den Artikel Strahlungs-Wichtungsfaktor und die ICRP-Publikation 103[1].

Die effektive Dosis wird aus den Organdosen und den entsprechenden Folgedosen abgeleitet. Bei dieser für Strahlenschutzzwecke wichtigen Dosisgröße handelt es sich daher ebenfalls um eine Äquivalentdosis im Rahmen der Körperdosen. Wegen Einzelheiten siehe den Artikel effektive Dosis.

Die Strahlenschutzverordnung spricht im Einklang mit der ICRP-Publikation 103 bei den Körperdosen nicht explizit von Äquivalentdosen. Die Bezeichnung Äquivalentdosis bleibt dort der Messgröße gemäß dem vorigen Abschnitt vorbehalten. Dies hat historische Gründe (siehe Abschnitt Historisches). Die aktuelleren EURATOM-Grundnormen[4] benutzen jedoch anstelle der o. a. Bezeichnungen Organ-Dosis und Organ-Folgedosis die Bezeichnungen „Organ-Äquivalentdosis“ und „Folge-Organ-Äquivalentdosis“, was diese Strahlendosen explizit als Äquivalentdosen ausweist. Im Zuge der noch ausstehenden Umsetzung der EURATOM-Grundnormen in deutsches Recht (Termin: 6. Februar 2018) dürfte die Strahlenschutzverordnung die Verwendung des Begriffs Äquivalentdosis für Körperdosen voraussichtlich übernehmen. Zur besseren Unterscheidung dürfte sie gleichzeitig für die Äquivalentdosis im Sinne einer Messgröße den Begriff „Mess-Äquivalentdosis“ einführen (vgl. SSK-Empfehlung „Radiologische Grundlagen“[5], Abschnitt 3.1).

Ableitung der Schutzgröße Äquivalentdosis aus der Messgröße Äquivalentdosis[Bearbeiten]

Die Äquivalentdosis als Messgröße ist im praktischen Strahlenschutz von großer Bedeutung zur Feststellung und Überwachung von Körperdosen. Dies ist allerdings auf bestimmte Anwendungsbereiche bei externer Strahlenexposition begrenzt. Die Oberflächen-Personendosis H_p(0{,}07) dient im Rahmen der Haut-, Hand-, und Fußdosimetrie der direkten Abschätzung der damit verbundenen Körperdosen. Mit der Personendosis H_p(10) ist eine Abschätzung von Körperdosen vor allem bei durchdringender Strahlung sehr gut möglich. Insbesondere bei Photonenstrahlung kann für Strahlenschutzzwecke die Körperdosis der Messgröße einfach gleichgesetzt werden (gleichbedeutend mit Q_R = w_R = 1), was einer konservativen, d. h. auf der sicheren Seite liegenden Abschätzung der Körperdosen gleichkommt[6]. Bei niedriger Dosis kann die Messgröße H_p(10) mit hinreichender Genauigkeit der effektiven Dosis gleichgesetzt werden. Voraussetzung ist eine homogene Ganzkörperexposition[7].

Unter weniger günstigen Voraussetzungen müssen bei externer Strahlenexposition aus den Daten der Strahlenfelder in Verbindung mit geeigneten rechnergestützten Modellen und anthropomorphen Phantomen angepasste Konversionskoeffizienten entwickelt werden, mit denen Körperdosen aus der Messgröße Umgebungs-Äquivalentdosis H^*(10) abgeschätzt werden können.

Für die innere Strahlenexposition sind keine Dosismessgrößen definiert. Es müssen andere Messgrößen herangezogen werden, auch indirekte, wie Aktivitätsbestimmungen von Urin- und Stuhlproben. Besonders hilfreich sind die Dosiskoeffizienten der ICRP[8], mit deren Hilfe Organ-Folgedosen und effektive Folgedosen direkt aus den Daten der Zufuhr (z. B. Radionuklid, Aktivität, Aktivitätskonzentration, chemische und physikalische Form des zugeführten radioaktiven Stoffs) abgeschätzt werden können.

Größenordnung der Ortsdosisleistung[Bearbeiten]

Die Ortsdosisleistung bei Photonenstrahlung kann besonders einfach und schnell gemessen werden. In Berichten über Strahlenexpositionen wird sie daher oft an erster Stelle genannt. Folgende Tabelle soll eine Orientierungshilfe für die Bewertung solcher Angaben geben. Voraussetzung ist ein ausgedehntes homogenes und zeitlich konstantes Strahlungsfeld. Ggf. zugleich vorliegende weitere Strahlenexpositionen, z. B. durch Inkorporationen, wären zusätzlich zu berücksichtigen.

Ortsdosisleistung Bewertung
0,08 µSv/h Mittlere natürliche Ortsdosisleistung in Deutschland
2,3 µSv/h Nach einem Notfall maßgebender Wert für die Zulassung einer Rückkehr in ein evakuiertes Gebiet (vgl. den oberen Referenzwert von 20 mSv pro Jahr bei „bestehenden“ Expositionen gemäß der SSK-Empfehlung „Radiologische Grundlagen“[5])[9]
3 µSv/h Untere Grenze des „Kontrollbereichs“ bei beruflicher Strahlenexposition (vgl. § 36 Abs. 1 Ziffer 2 StrlSchV[2])
60 µSv/h Bei einem Notfall maßgebender Wert für die Schutzmaßnahme „Aufenthalt in Gebäuden“ (vgl. den entsprechenden Eingreifrichtwert von 10 mSv in 7 Tagen gemäß der SSK-Empfehlung „Radiologische Grundlagen“[5])[9]
600 µSv/h Bei einem Notfall maßgebender Wert für die Schutzmaßnahme „Evakuierung“ (vgl. den entsprechenden Eingreifrichtwert von 100 mSv in 7 Tagen gemäß der SSK-Empfehlung „Radiologische Grundlagen“[5])[9]
3000 µSv/h Untere Grenze des „Sperrbereichs“ (siehe § 36 Abs. 1 Ziffer 3 StrlSchV[2])

Für Beispiele von Äquivalentdosen als Körperdosen siehe den Artikel Größenordnung (Äquivalentdosis) und die Veröffentlichung der SSK „Orientierungshilfe für bildgebende Untersuchungen“[10]

Historisches[Bearbeiten]

Schon vor 1991 wurde die Äquivalentdosis als Bezeichnung sowohl für die Dosismessgröße als auch für Körperdosen verwendet, allerdings damals unter Nutzung allein des Qualitätsfaktors Q als Wichtungsfaktor. Mit der ICRP-Publikation 60[11] wurde für die Körperdosis der Strahlungs-Wichtungsfaktor w_R eingeführt. Die Äquivalentdosis als Messgröße und deren Definition blieben dabei unberührt.

Die Äquivalentdosis wurde früher in Rem (roentgen equivalent man) angegeben. 1 Sv ist gleich 100 Rem.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b International Commission on Radiological Protection (ICRP): The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection, Ann. ICRP 37 (2-4), 2007, deutsche Ausgabe herausgegeben vom Bundesamt für Strahlenschutz, ICRP Publication 103, (PDF-Dokument, 2,2 MB)
  2. a b c Verordnung über den Schutz vor Schäden durch ionisierende Strahlen (Strahlenschutzverordnung - StrlSchV) vom 20. Juli 2001 (BGBl. I S. 1714, ber. BGBl. 2002 I S. 1459)
  3. Insbesondere Tiefen-Personendosis Hp(10) mit d=10 mm und Oberflächen-Personendosis Hp(0,07) mit d=0,07 mm
  4. RICHTLINIE 2013/59/EURATOM DES RATES vom 5. Dezember 2013 zur Festlegung grundlegender Sicherheitsnormen für den Schutz vor den Gefahren einer Exposition gegenüber ionisierender Strahlung (PDF-Dokument, 1,6 MB)
  5. a b c d Strahlenschutzkommission: Radiologische Grundlagen für Entscheidungen über Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung bei Ereignissen mit Freisetzungen von Radionukliden, Empfehlung verabschiedet in der 268. Sitzung der SSK am 13./14. Februar 2014 (PDF-Dokument, 722 kB)
  6. ICRP-Publikation 103, Ziffer 135
  7. ICRP-Publikation 103, Ziffer 138
  8. International Commission on Radiological Protection (ICRP): Age-dependent Doses to the Members of the Public from Intake of Radionuclides - Part 5 Compilation of Ingestion and Inhalation Coefficients, ICRP Publication 72, in: Ann. ICRP 26 (1), 1995
  9. a b c siehe auch den Artikel Radiologische Gefährdungslage
  10. Strahlenschutzkommission: Orientierungshilfe für bildgebende Untersuchungen, Empfehlung verabschiedet in der 231. Sitzung der Strahlenschutzkommission am 9./10.12.2008, geändert in der 243. Sitzung der Strahlenschutzkommission am 16./17. September 2010 (PDF-Dokument, 565 kB)
  11. International Commission on Radiological Protection (ICRP): The 1990 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection, ICRP Publication 60, Ann. ICRP 21 (1-3), 1991