department of radiation sciences

Arten ionisierender Strahlung und ihre Messung

Wenn ionisierende Strahlung in Materie eindringt, gibt sie dort ihre Energie ganz oder teilweise ab. Dabei werden meist Ladungen erzeugt, d.h. Elektronen aus Atomen oder Molekülen gelöst. Nachweismethoden für ionisierende Strahlung basieren darauf, entweder die geladenen Teilchen oder die abgegebene Energie zu messen. Hierfür gibt es verschiedene Messprinzipien, von denen einige hier beispielhaft vorgestellt sind:

• Geiger-Müller-Zählrohr: Ein gasgefülltes Rohr, in dem durch die an zwei Elektroden anliegende Spannung ein elektrisches Feld erzeugt wird. Wenn Strahlung in das Gas eindringt und in sehr schneller Folge Ionen erzeugt, werden diese „Primärionen“ im Feld zu den Elektroden hin beschleunigt. Weil das Feld sehr stark ist, erzeugen sie dabei in Stößen mit Gasteilchen weitere Ionen („Sekundärionen“). Die Verstärkung ist so hoch, dass jedes Ion eine Ladungslawine auslöst, deren gesamte Ladungsmenge als kurzer Strompuls an den Elektroden messbar ist. Beigefügter Alkoholdampf „löscht“ diese Lawine wieder, so dass das Zählrohr nach kurzer Zeit einen neuen Puls messen kann. Die Strompulse sind durch die Lawinenbildung immer etwa gleich intensiv, unabhängig von der Art und Energie der Strahlung und der Zahl der Primärionen.

• Proportionalzähler: Ähnlich wie das Geiger-Müller-Zählrohr. Weil das elektrische Feld im Proportionalzähler schwächer ist, entsteht keine Ladungslawine, sondern im Mittel eine feste Anzahl von Sekundärionen pro Primärion. Die Intensität der Pulse ist proportional zur Anzahl der Primärionen und damit wiederum zur abgegebenen Energie.

• Halbleiterdetektoren: Auch in Halbleitern werden Ionen durch Strahlung erzeugt und durch eine anliegende Spannung abgesaugt. Weil das Halbleitermaterial viel dichter als ein Gas ist und weniger Strahlungsenergie pro Ionenbildung nötig ist, entstehen für die gleiche Strahlung viel mehr Primärionen. Deshalb sind Halbleiterzähler bei gleicher Größe meist viel empfindlicher als Proportionalzähler.

• Szintillationszähler: Ionisierende Strahlung kann nicht nur direkt Ionen erzeugen, sondern auch Leuchtstoffe anregen. In Szintillationszählern werden die Photonen gemessen, die aus dieser Anregung entstehen. Die Leuchtstoffe können auch Flüssigkeiten sein, so dass auch aus darin gelöstem Material ausgesandte Strahlung mit sehr kurzer Reichweite empfindlich gemessen werden kann.

• Alphastrahlung: energiereiche Teilchenstrahlung, die aus Heliumkernen mit zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Bei einem radioaktiven Zerfall werden die Neutronen direkt aus einem Atomkern emittiert. Alphastrahlung hat eine kurze Reichweite (wenige Zentimeter in Luft, weniger als ein Zehntel Millimeter in Gewebe

• Betastrahlung: Der Betazerfall ist ein radioaktiver Zerfallstyp eines Atomkerns. In Folge des Zerfallsvorgangs verlässt ein energiereiches Betateilchen – Elektron oder Positron – den Kern. Gleichzeitig entsteht ein Antineutrino bzw. Neutrino. Ist der menschliche Körper Betastrahlen ausgesetzt, werden nur Hautschichten geschädigt. Dort kann es aber zu intensiven Verbrennungen und daraus resultierenden Spätfolgen wie Hautkrebs kommen. Sind die Augen der Strahlung ausgesetzt, kann es zur Linsentrübung kommen.

Werden Betastrahler in den Körper aufgenommen (inkorporiert), sind hohe Strahlenbelastungen in der Umgebung des Strahlers die Folge. Gut dokumentiert ist Schilddrüsenkrebs als Folge von radioaktivem Iod-131 (131I), das sich in der Schilddrüse sammelt.

• Gammastrahlung: Wellenstrahlung, die entsteht, wenn ein angeregter Atomkern in einen Zustand tieferer Energie übergeht; Gammastrahlung hat eine sehr viel höhere Durchdringungsfähigkeit als Alphastrahlung.

• Ionendosis: Die Ionendosis beschreibt die Zahl der Ionisationen in einem bestimmten Luftvolumen. Einheit: Ladung/Masse, Coulomb/Kilogramm

• Energiedosis: Die Energiedosis berücksichtigt neben den Ionisationen auch weitere Wechselwirkungen in der Materie. Sie gibt die Menge der von der Strahlung im Material (z. B. im Körper) deponierten Energie an. Dimension: Energie/Masseneinheit, Einheit: Joule/Kilogramm = Gray (Gy)

• Ortsdosis: Angabe der Energiedosis an einem bestimmten Ort

• Äquivalentdosis: Mit der Ä. wird versucht, die biologisch relevanten Vorgänge der Strahlenwirkung zu berücksichtigen. Zum Beispiel verursacht Alphastrahlung bei gleicher Energiedosis eine etwa 20x höhere biologische Wirkung als Gammastrahlung. Für ihre Berechnung wurde eine Qualitätsfaktor für die verschiedenen Strahlenarten eingeführt. Dimension: Energie/Masse, Einheit: Joule/Kilogramm, Sievert (Sv). Alte Einheit: Rem (1 Sv = 100 rem)

• Effektive Dosis: Bei der effektiven Dosis wird zusätzlich noch die unterschiedliche Strahlenempfindlichkeit verschiedener Gewebeformen berücksichtigt. Dafür hat die Internationale Strahlenschutzkommission Wichtungsfaktoren für Organe festgelegt.

Beispiel: Wenn die Schilddrüse nach einer Strahlenbelastung eine Dosis von 1 Sv erhalten hat und der Rest des Körpers keiner Strahlung ausgesetzt war, ergibt sich durch den Wichtungsfaktor 0,03 eine effektive Dosis von 0,03 Sv. Das heißt: die durch die Bestrahlung hervorgerufene Wahrscheinlichkeit, an Krebs zu erkranken, ist genauso groß wie die durch eine Ganzkörperbestrahlung mit 0,03 Sv.

Bequerel und Sievert lassen sich nicht pauschal ineinander umrechnen, da für jedes Radionuklid unterschiedliche Faktoren gelten. 

• Externe Strahlenexposition: Wenn radioaktive Stoffe den Körper von außen bestahlen, spielt nur die Gammastrahlung eine Rolle. Die aufgenommene Dosis berechnet sich aus der gemessenen Dosisleistung in der Luft und der Aufenthaltszeit.

• Inkorporation: Wenn radioaktive Substanzen über Atemluft, Nahrung oder Wunden in den Körper gelangen, bestrahlen sie den Körper von innen her.

• Über definierte Dosisfaktoren lässt sich feststellen, wie hoch die effektive Dosis bei Aufnahme von Strahlung ist. Dabei werden sowohl physikalische Eigenschaften der inkorporierten radioaktiven Stoffe berücksichtigt als auch Aufnahmepfad (Atmung, Nahrung), Verweilzeit und Anreicherung in bestimmten Organen.

Beispiel: 1000 Bq mit der Nahrung aufgenommenes Jod-131 ergeben bei Erwachsenen eine Schilddrüsendosis von 0,43 mSv und beim Kleinkind von 3,5 mSv.