Strahlendosis

Grundidee und physikalische Dosisgrößen

Strahlendosis bezeichnet Größen, die die Auswirkung ionisierender Strahlung in Materie beschreiben. Entscheidend ist dabei die in ein Volumen übertragene Energie, also die in Materie geleistete Arbeit. Ihre Einheit ist Joule (J).

Die Energiedosis ist die während der gesamten Bestrahlungsdauer aufgenommene Energie bezogen auf die bestrahlte Masse. Sie wird mit D angegeben und hat die Einheit J/kg = Gray (Gy; früher auch Rad). Sie beschreibt die Bewegungsenergie aller Sekundärteilchen. Eine verwandte Größe ist die Kerma K, ebenfalls in J/kg = Gray: Sie beschreibt die Bewegungsenergie der Sekundärteilchen der ersten Generation.

Die Ionendosis J ist ein weiteres physikalisches Maß. Sie gibt an, wie viel elektrische Ladung eines Vorzeichens durch Bestrahlung in einem Körper freigesetzt wird. Ihre Einheit ist C/kg; früher wurde auch die Einheit Röntgen verwendet.

Bewertete Dosen und biologische Wirkung

Gleiche physikalische Energiedosen können in biologischen Systemen, etwa in menschlichen Organen, unterschiedliche physiologische Wirkungen auslösen. Deshalb werden für verschiedene Strahlenarten radiologisch bewertete Dosisgrößen verwendet: Äquivalentdosis H, Organdosis H_{T,R} und Effektive Dosis E.

Wie die nicht bewertete Energiedosis haben diese Größen rechnerisch die Einheit J/kg. Als bewertete Dosen werden sie im Internationalen Einheitensystem jedoch in Sievert angegeben: Sv = J/kg; früher auch Rem.

Leistung, Dosisleistung und DDREF

Die Leistung einer Strahlung ist die pro Zeitspanne in Materie geleistete Arbeit beziehungsweise die durch einen Querschnitt pro Zeitspanne übertragene Energie. Ihre Einheit lautet J/s = Watt.

Für alle Dosisgrößen kann eine Dosisleistung angegeben werden. Sie ist die aufgenommene Dosis pro Zeitspanne, also entweder der momentane Differentialquotient der Dosisarbeit nach der Zeit oder ein über längere Zeit gebildeter Mittelwert. Nicht bewertete Dosisleistung wird in J/(kg s) = Gray pro Sekunde angegeben, bewertete Dosisleistung in J/(kg s) = Sievert pro Sekunde. Häufig wird dafür auch der Ausdruck Dosisrate benutzt.

Für praktische Zwecke wird bei stochastischen Strahlenwirkungen oft ein proportionaler Zusammenhang zwischen Dosis und Wirkung angenommen: die LNT-Hypothese („Linear No Threshold“, linear ohne Schwellenwert). Studien deuten jedoch darauf hin, dass das damit für niedrige Dosen ermittelte Strahlenrisiko überschätzt wird. Die Internationale Strahlenschutzkommission fasst dies im Dosis- und Dosisleistungs-Effektivitätsfaktor DDREF zusammen. ICRP 103 bestätigt DDREF = 2: Risikokoeffizienten, die für niedrige Dosen und kleine Dosisleistungen durch lineare Extrapolation bestimmt wurden, werden durch 2 geteilt.

Anwendung in Therapie und Dosisermittlung

In der medizinischen Strahlentherapie wird nach heutigen Empfehlungen die Energiedosis verwendet: die pro Kilogramm bestrahlter Materie oder Gewebe absorbierte Energie. Es gilt 1 Gy = 1 J/kg. Unterschiedliche biologische Wirksamkeiten werden durch Bewertungsfaktoren, die RBW-Faktoren, berücksichtigt. Die Energiedosis eignet sich zur Abschätzung direkter Wirkungen im Menschen, der deterministischen Strahlenschäden.

Bei gleicher Strahlenart, -energie und Bestrahlungsdauer hängt die Energiedosis von der chemischen Zusammensetzung des Materials ab. Als Bezugsmaterial dient daher beispielsweise Wasser oder eine gewebeähnliche elementare Zusammensetzung. Mit Korrekturfaktoren kann die Dosis eines Bezugsmaterials auf ein anderes Material umgerechnet werden.

Für eine ideal punktförmige, unabgeschirmte radioaktive Quelle verknüpfen Dosisleistungskonstanten deren Aktivität mit der in einem bestimmten Abstand erzeugten Dosis. Dosisleistungen werden gewöhnlich in Sievert pro Stunde angegeben, praktisch meist in nSv/h, µSv/h oder mSv/h.

Bei inkorporierten Strahlern ist die Abschätzung schwieriger. Benötigt werden Angaben zur Kinetik der Substanz im Körper: ihre Verteilung auf Organe, ihre Ausscheidungsart und -geschwindigkeit beziehungsweise biologische Halbwertszeit sowie der Zeitpunkt der Inkorporation. Die aktuell im Körper verteilte Aktivität kann zum Beispiel durch eine Urinprobenmessung abgeschätzt werden. Die Dosisermittlung ist wichtig für die Planung einer Strahlentherapie oder nuklearmedizinischen Therapie.

Bedeutung für den Strahlenschutz

Im Strahlenschutz berücksichtigen radiologisch bewertete Dosisgrößen, dass Strahlenarten und Gewebearten ein unterschiedliches Strahlenrisiko haben. Für Grenzwerte dienen die Körperdosis in Form von Organdosis und Effektiver Dosis. Die Effektive Dosis quantifiziert das Auftreten stochastischer Strahlenschäden. Als Messgrößen im Strahlenschutz dienen Äquivalentdosen, insbesondere Umgebungsäquivalentdosis und Personendosis.

Alle radiologisch bewerteten Dosisgrößen werden in Sievert angegeben. Bei Röntgen-, Gamma- und Betastrahlung, also elektromagnetischer und Elektronenstrahlung, gilt in vielen praktischen Fällen 1 Gy = 1 Sv. Bei Alpha-, Protonen- und Neutronenstrahlung gilt dies wegen ihrer höheren biologischen Wirksamkeit nicht. Strahlungswichtungsfaktoren zwischen 5 und 20, abhängig von Energie und Teilchenart, berücksichtigen diesen Unterschied.

Die Gefährlichkeit eines Aufenthalts in der Nähe einer oder mehrerer Strahlungsquellen kann durch die Dosisleistung an einem Messpunkt beschrieben werden.