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Äquivalentdosis

Begriff aus dem Strahlenschutz und der Dosimetrie
Physikalische Größe
Name Äquivalentdosis
Formelzeichen
Abgeleitet von Energiedosis
Größen- und
Einheitensystem
Einheit Dimension
SI Sv L2·T−2

Die Äquivalentdosis oder Äquivalenzdosis ist eine im Strahlenschutz verwendete Dosisgröße für ionisierende Strahlung. Sie berücksichtigt einerseits als dosimetrische Grundgröße die übertragene Energiedosis. Darüber hinaus berücksichtigt sie 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. Die Wirksamkeit einer Strahlenart wird rechnerisch mit Hilfe eines Wichtungsfaktors berücksichtigt.

Für jede Strahlenart – bei manchen Strahlenarten auch für Bereiche ihrer Strahlenenergie – ist ein Wichtungsfaktor festgelegt. Er drückt aus, wievielfach wirksamer diese Strahlung im Vergleich mit einer Bezugsstrahlung ist. Die Äquivalentdosis ist die gewichtete, d. h. mit dem Wichtungsfaktor multiplizierte Energiedosis. Äquivalentdosen jeder Strahlenart können in ihrer Wirkung direkt miteinander verglichen, zueinander addiert und durch Vergleich mit der Wirkung einer dosisgleichen Exposition durch die Bezugsstrahlung leicht bewertet werden.

WichtungsfaktorenBearbeiten

Im Strahlenschutz gibt es zwei Konzepte für die Wichtung:

  • Das eine Konzept nutzt Wichtungsfaktoren, die nach einem theoretischen Modell entwickelt wurden, das die Wirksamkeit von Strahlung unter biophysikalischen Gesichtspunkten aus dem linearen Energietransfer herleitet. Als Bezugsstrahlung fungiert eine mit niedrigem linearem Energietransfer. Diese Wichtungsfaktoren werden Qualitätsfaktoren   genannt.
  • Bei dem anderen Konzept ist aus Beobachtungen stochastischer Gesundheitseffekte die Wirksamkeit einer Strahlenart im Vergleich zu Photonen als Bezugsstrahlung ermittelt worden. Diese Wichtungsfaktoren heißen Strahlungs-Wichtungsfaktoren  .

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 direkt zugänglich sind, muss auf Messgrößen 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 MessgrößeBearbeiten

Messgröße ist die Äquivalentdosis   in verschiedenen Ausprägungen ( ,  ,   ). Sie dient der Orts- und Personendosisüberwachung bei äußerer Strahlenexposition (vgl. Strahlenschutzverordnung (StrlSchV) Anlage 18, Teil A). Die Äquivalentdosis   bezieht sich auf definierte Messpunkte in Phantomen und die dort von der Strahlenart   erzeugte Energiedosis  . Als Wichtungsfaktor wird der Qualitätsfaktor   verwendet, der von der ICRU (International Commission on Radiation Units and Measurements) für ein standardisiertes Weichteilgewebe definiert ist. Die Werte können der StrlSchV Anlage 18, Teil D) entnommen werden.

 

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

 

Eine Ausprägung der Äquivalentdosis   ist die Personendosis  . Sie bestimmt den Standard für die Kalibrierung von Personendosimetern. Ihr Messpunkt liegt in standardisierten Weichteil-Phantomen (u. a. die so genannte „ICRU-Kugel“) in der Tiefe  [2].

Eine andere Ausprägung ist die Umgebungs-Äquivalentdosis  . Sie bestimmt den Standard für die Kalibrierung von Messgeräten zur Messung von Ortsdosis und Ortsdosisleistung. 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.

Eine weitere Ausprägung ist die Richtungs-Äquivalentdosis  Ω , die am Messpunkt in der ICRU-Kugel zusätzlich zur Tiefe   auch den Richtungswinkel Ω der einfallenden Strahlung angibt.

Äquivalentdosis als SchutzgrößeBearbeiten

Schutzgröße ist die Körperdosis. Bei externer Bestrahlung ist dies die Organ-Äquivalentdosis   bzw. die effektive Dosis  . Bei der Inkorporation von Radionukliden ist Schutzgröße die Folge-Organ-Äquivalentdosis bzw. die effektive Folgedosis. Die Dosisangaben beziehen sich auf die über ein Organ oder ein Gewebe T gemittelte Energiedosis   der Strahlenart R. Wichtungsfaktor ist der Strahlungs-Wichtungsfaktor  . Dessen Werte können der StrlSchV Anlage 18, Teil C Nr. 1 entnommen werden.

 

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

 

Die effektive Dosis wird durch Summierung aus den Organ-Äquivalentdosen der betroffenen Organe abgeleitet. Entsprechendes gilt für die effektive Folgedosis bzw. die Folge-Organ-Äquivalentdosen. Dabei werden organabhängige Wichtungsfaktoren verwendet, die nicht mit den vorgenannten Faktoren   und   verwechselt werden dürfen. Wegen Einzelheiten siehe den Artikel effektive Dosis.

Ableitung der Schutzgröße Äquivalentdosis aus der Messgröße ÄquivalentdosisBearbeiten

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   dient im Rahmen der Haut-, Hand-, und Fußdosimetrie der direkten Abschätzung der damit verbundenen Körperdosen. Mit der Personendosis   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  ), was einer konservativen, d. h. auf der sicheren Seite liegenden Abschätzung der Körperdosen gleichkommt[3]. Bei niedriger Dosis kann die Messgröße   mit hinreichender Genauigkeit der effektiven Dosis gleichgesetzt werden. Voraussetzung ist eine homogene Ganzkörperexposition[4].

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 den Messgrößen 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[5], mit deren Hilfe Folge-Organ-Äquivalentdosen 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 OrtsdosisleistungBearbeiten

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 jeweils 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 Der nach einem Notfall maßgebende Referenzwert für den Aufenthalt in einem Gebiet mit bestehender Strahlenexposition beträgt 20 mSv pro Jahr für die effektive Dosis (vgl. § 118 Abs. 4 Strahlenschutzgesetz). Bei einer Ortsdosisleistung von 2,3 µSv/h würde dieser Dosiswert mit Sicherheit unterschritten. Unter Berücksichtigung von Schutzmaßnahmen dürften tatsächlich höhere Dosisleistungen zulässig sein. Siehe auch den Artikel radiologische Gefährdungslage.
3 µSv/h Die untere Grenze des „Kontrollbereichs“ bei beruflicher Strahlenexposition beträgt 6 mSv/a (vgl. § 52 Abs. 2 Nr. 2 StrlSchV). Bei einer Ortsdosisleistung von 3 µSv/h wird dieser Dosiswert erreicht, wobei eine Aufenthaltszeit von 2000 h/a zugrunde gelegt wird.
25 µSv/h Grenze des Gefahrenbereichs im ABC-Einsatz in Deutschland (vgl. Abschnitt 2.3.2.1 FwDV 500[6]).
60 µSv/h Der bei einem Notfall maßgebende Dosiswert für die Angemessenheit der Schutzmaßnahme „Aufenthalt in Gebäuden“ beträgt 10 mSv in 7 Tagen (vgl. § 2 Notfall-Dosiswerte-Verordnung (NDWV)). Bei einer Ortsdosisleistung von 60 µSv/h würde dieser Dosiswert erreicht.
600 µSv/h Der bei einem Notfall maßgebende Dosiswert für die Angemessenheit der Schutzmaßnahme „Evakuierung“ beträgt 100 mSv in 7 Tagen (vgl. § 4 NDWV). Bei einer Ortsdosisleistung von 600 µSv/h würde dieser Dosiswert erreicht.
3000 µSv/h Untere Grenze des „Sperrbereichs“ (vgl. § 52 Abs. 2 Nr. 3 StrlSchV).

Für Beispiele von Äquivalentdosen als Körperdosen siehe den Artikel Größenordnung (Äquivalentdosis) und die Veröffentlichung der SSK „Orientierungshilfe für bildgebende Verfahren“[7]

HistorischesBearbeiten

Schon vor 1991 wurde die Äquivalentdosis als Bezeichnung sowohl für die Dosismessgröße als auch für Körperdosen verwendet, allerdings damals unter Nutzung allein des Qualitätsfaktors   als Wichtungsfaktor. Mit der ICRP-Publikation 60[8] wurde hinsichtlich der Körperdosis der Strahlungs-Wichtungsfaktor   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.

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. 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. Insbesondere Tiefen-Personendosis Hp(10) mit d=10 mm und Oberflächen-Personendosis Hp(0,07) mit d=0,07 mm
  3. ICRP-Publikation 103, Ziffer 135
  4. ICRP-Publikation 103, Ziffer 138
  5. 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
  6. Ausschuss Feuerwehrangelegenheiten, Katastrophenschutz und zivile Verteidigung: Feuerwehrdienstvorschrift 500: Einheiten im ABC-Einsatz, Januar 2012
  7. Strahlenschutzkommission: Orientierungshilfe für bildgebende Verfahren, Empfehlung verabschiedet in der 300. Sitzung der SSK am 27./28. Juni 2019 (PDF-Dokument, 1,6 MB)
  8. 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