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Äquivalentdosis
Die Äquivalentdosis ist eine Dosisgröße für Strahlenexpositionen durch ionisierende Strahlung. Sie wird im Strahlenschutz verwendet und ist ein Maß für die …
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Bedeutung und Grundidee
Die Äquivalentdosis H ist eine Dosisgröße für Expositionen durch ionisierende Strahlung. Sie wird im Strahlenschutz genutzt, um stochastische Risiken zu bewerten, also Krebs und vererbbare Defekte. Ausgangspunkt ist die Energiedosis D, die angibt, wie viel Energie Strahlung im Gewebe abgibt. Da verschiedene Strahlenarten bei gleicher Energiedosis unterschiedlich stark biologisch wirken, wird D mit einem Wichtungsfaktor multipliziert.
Die Einheit der Äquivalentdosis ist das Sievert (Sv); die Energiedosis wird dagegen in Gray (Gy) angegeben. Beide Größen haben physikalisch dieselbe Dimension L²·T⁻², denn die Wichtungsfaktoren sind dimensionslos.
Als Körperdosis bezeichnet das Strahlenschutzgesetz die Organ-Äquivalentdosis und die effektive Dosis. Die Organ-Äquivalentdosis ist über ein Organ gemittelt. Die effektive Dosis fasst die Organ-Äquivalentdosen für den ganzen Körper zusammen und berücksichtigt dabei, dass Organe unterschiedlich strahlenempfindlich sind. Für Körperdosen gelten gesetzliche Grenzwerte. Sie können jedoch nicht unmittelbar gemessen, sondern nur aus Messdaten, Vorschriften und Modellen abgeschätzt werden.
Wichtungsfaktoren und Dosisarten
Strahlenarten werden mit R bezeichnet. Alphateilchen sind bei gleicher Energiedosis um ein Vielfaches wirksamer als Photonen der Gamma- oder Röntgenstrahlung. Deshalb erhalten sie einen höheren Wichtungsfaktor.
Für Körperdosen wird der Strahlungs-Wichtungsfaktor wᵣ verwendet. Er wird aus Beobachtungen stochastischer Gesundheitseffekte abgeleitet und vergleicht die Wirkung einer Strahlenart mit Photonen als Bezugsstrahlung.
Für Dosismessgrößen bei äußerer Exposition wird der Qualitätsfaktor Qᵣ verwendet. Er beruht auf einem theoretischen Modell der biologischen Wirksamkeit anhand des linearen Energieübertragungsvermögens (LET). Als Bezugsstrahlung dient eine Strahlung mit niedrigem LET. Qᵣ und wᵣ sind daher nicht dasselbe, auch wenn beide die Strahlenart berücksichtigen.
Äußere Exposition und Messgrößen
Bei äußerer Strahlenexposition ist Hᵣ eine Dosismessgröße zur Orts- und Personendosisüberwachung. Für eine einzelne Strahlenart gilt:
Hᵣ = Qᵣ · Dᵣ
Wirken mehrere Strahlenarten, werden ihre Äquivalentdosen addiert:
Hgesamt = Σᵣ Hᵣ
Die Ortsdosis dient besonders zur Abgrenzung von Strahlenschutzbereichen und zur Festlegung von Schutzmaßnahmen. Häufig wird die Ortsdosisleistung gemessen, also die Zunahme der Ortsdosis pro Zeit, meist in µSv/h. Die verbreitete Umgebungs-Äquivalentdosis H*(10) bezieht sich auf einen Messpunkt in 10 mm Tiefe einer ICRU-Kugel, eines standardisierten Phantommodells. Richtungs-Äquivalentdosen gelten für festgelegte Raumrichtungen.
Die Personendosis wird an der Tragestelle eines Dosimeters gemessen. Sie ist keine Körperdosis, dient aber grundsätzlich dazu, die Einhaltung von Grenzwerten für Körperdosen zu überwachen. Wichtige Größen sind die Tiefen-Personendosis Hₚ(10) in 10 mm Tiefe, die Oberflächen-Personendosis Hₚ(0,07) in 0,07 mm Tiefe und die Augenlinsen-Personendosis Hₚ(3) in 3 mm Tiefe.
Körperdosen bei äußerer und innerer Exposition
Bei äußerer Bestrahlung ist die Organ-Äquivalentdosis Hₜ die über das Organ oder Gewebe T gemittelte Energiedosis, gewichtet mit wᵣ. Bei mehreren Strahlenarten gilt:
Hₜ = Σᵣ wᵣ · Dₜ,ᵣ
Die effektive Dosis E berücksichtigt zusätzlich die relative Strahlenempfindlichkeit der Organe durch Organ-Wichtungsfaktoren wₜ:
E = Σₜ wₜ · Hₜ
Bei durchdringender Strahlung kann Hₚ(10) häufig als Körperdosis gelten. Bei Photonenstrahlung ist Qᵣ = wᵣ = 1. Bei niedriger Dosis, weitgehend homogenem Strahlenfeld und möglichst homogener Ganzkörperexposition entspricht Hₚ(10) mit hinreichender Genauigkeit der effektiven Dosis. Hₚ(0,07) kann bei Haut-, Hand- und Fußdosimetrie direkt der maßgebenden Körperdosis entsprechen. Andernfalls werden Konversionskoeffizienten aus Daten des Strahlenfeldes sowie rechnergestützten Modellen und anthropomorphen Phantomen verwendet.
Bei innerer Exposition werden Radionuklide dem Körper zugeführt und inkorporiert. Dann werden Folge-Organ-Äquivalentdosis und effektive Folgedosis verwendet; sie schließen die künftige Exposition durch im Körper verbleibende Radionuklide ein. Es gibt hierfür keine Dosismessgrößen. Messungen können beispielsweise Aktivitätsbestimmungen von Urin- und Stuhlproben sein. Für Erwachsene beträgt die Integrationszeit 50 Jahre. Mit zugeführter Aktivität I in Bq und Dosiskoeffizienten in Sv/Bq gilt:
Hₜ = hₜ(50) · I E = e(50) · I
Die Koeffizienten berücksichtigen Strahlungs-Wichtungsfaktoren, biokinetische Abläufe und Stoffwechselvorgänge sowie die chemische und physikalische Form des radioaktiven Stoffs.
Anwendungsbereich und Beispiele
Äquivalentdosen werden im Strahlenschutz bis zu einigen 100 mSv angewendet: in einem Bereich, in dem stochastische Wirkungen bekannt sind oder bei niedrigen Dosen vermutet werden, während deterministische Wirkungen noch nicht maßgebend sind. Bei deutlich höheren Dosen werden wegen der dann maßgebenden deterministischen Wirkungen Dosen nur als Energiedosis in Gy angegeben, zum Beispiel in der Strahlentherapie.
Zur Orientierung: Die mittlere natürliche Ortsdosisleistung in Deutschland beträgt 0,08 µSv/h beziehungsweise 0,70 mSv/a; die Bandbreite liegt bei 0,05 bis 0,18 µSv/h. Als Notfallwerte werden unter anderem 60 µSv/h für den Aufenthalt in Gebäuden und 600 µSv/h für eine Evakuierung genannt. Die untere Grenze eines Kontrollbereichs bei beruflicher Exposition beträgt 3 µSv/h, die eines Sperrbereichs 3000 µSv/h.
Eine in Deutschland lebende Person erhält durch zivilisatorische Strahlenexposition, vor allem medizinische Anwendungen, im Mittel 1,7 mSv effektive Dosis pro Jahr. Eine Thorax-Röntgenaufnahme in p.a.-Aufnahme verursacht etwa 0,018 mSv, eine CT-Untersuchung des Thorax etwa 5,1 mSv. Klinische Symptome der Strahlenkrankheit treten bei kurzzeitiger Ganzkörper- oder großvolumiger Teilkörperbestrahlung oberhalb von 1 Gy auf.
