Wir haben in den vorangegangenen Abschnitten immer wieder die Begriffe Dosis, Dosisleistung, Äquivalentdosis, Organdosis und einige andere mehr in den verschiedenen Beschreibungen und Regelungen verwendet, aber bislang nicht erklärt, um was es sich dabei eigentlich handelt. Dies wollen wir nun in den nachfolgenden Abschnitten nachholen.

Wenden wir uns zuerst der Frage zu „Was ist Dosis?“

Wir wissen bereits, dass Strahlung Energie an Materie abgeben kann. Der Begriff Dosis ist ein Maß für die Abgabe von Energie und hängt von der Qualität und Quantität der Strahlung und vom bestrahlten Medium ab. Jetzt haben wir schon wieder einen neuen Begriff eingeführt, den wir erst einmal genauer beschreiben müssen, damit wir wissen, was damit gemeint ist (Anmerkung: der Begriff „Quantität“ sollte bereits klar sein; die Menge der Strahlung, d. h. die Aktivität): „Qualität“

Unter der Qualität der Strahlung versteht man im Strahlenschutz das Durchdringungsvermögen ionisierender Strahlung sowie deren biologische Wirksamkeit. Sie entscheidet zusammen mit der Dosis darüber, wie tief Strahlen in Materie eindringen und wie stark sie das Gewebe schädigen.

Um die Sache noch etwas komplizierter zu machen, gibt es auch noch unterschiedliche Dosisgrößen; physikalische und solche für den Strahlenschutz.

Doch keine Angst. Wir werden ausgehend von der Energiedosis (schon wieder eine „neue Dosis“!) die einzelnen Begriffe und ihre Zusammenhänge schrittweise in den nächsten Abschnitten kennenlernen. Am Ende des Kapitels sind sie (hoffentlich) gewappnet, wenn sie irgendwo mit den verschiedenen Dosisbegriffen konfrontiert werden.

Ausgangspunkt aller Betrachtungen ist die Energiedosis, abgekürzt mit dem Buchstaben D.

Doch beginnen wir mit einer ionisierenden Strahlung, die auf Materie (hier den menschlichen Körper bzw. Teile davon) auftrifft. Diese Strahlung transportiert Energie. Beim Auftreffen auf Materie kann sie einen Teil ihrer Energie auf die Materie übertragen und „fliegt“ mit geringerer Energie weiter.

Bezeichnen wir die Energie der Strahlung vor dem Auftreffen mit \(W_{in}\) und die verbleibende Energie der Strahlung nach dem Auftreffen mit \(W_{aus}\), dann können wir den Anteil der Energie \(\Delta E\), der auf die Materie übertragen wurde, berechnen. Sie ist einfach die Differenz zwischen der auftreffenden und der „überbleibenden“ Energie der Strahlung. Mathematisch ausgedrückt

\[\Delta E = W_{in} – W_{aus} \]

Die auf die Materie übertragene Energie kann höchstens \(W_{in}\) betragen, mindestens 0 (wenn kein Übertrag von Energie auf Materie stattfand, d. h. \(W_{in} = W{aus}\)).

Die Einheit der Energie ist das Joule, abgekürzt J.

Nun können wir uns sicherlich vorstellen, dass es einen Unterschied macht, ob die gleiche Menge an Energie \(\Delta E\) an ein Materiestück mit sehr kleiner Masse übertragen wird, wie z. B. einen Stecknadelkopf, oder aber an eine sehr große Masse (z. B. ein riesiger Betonklotz). Im ersten Fall wird die übertragene Energie wesentlich stärkere Auswirkungen auf die Materie haben als in letzterem. Beispielsweise könnte die Energie ausreichend sein, den Stecknadelkopf zu schmelzen, während der Betonblock nur unwesentlich erwärmt wird.

Diesen Unterschied berücksichtigen wir, indem wir die übertragene Energie \(\Delta E\) auf die Masse \(m\) beziehen, in der dieser Übertrag stattfindet.

\[D = \frac{\Delta E }{m} \]

Dieses Verhältnis wird als Energiedosis D bezeichnet. Die Einheit der Energiedosis hat eine eigene Bezeichnung, das Gray, abgekürzt Gy. Es gilt:

\[1~Gy = 1~J/kg\]

Jetzt können wir gleich noch eine weitere Größe einführen; die Energiedosisleistung \(\dot D\).

\[\dot D = \frac{D}{t} \]

Setzen wir für \(t\) den Wert \(1~s\) ein, dann erhalten wir die Energiedosisleistung \(\dot D\) mit der Einheit \(Gy/s\).

Die unterschiedlichen Strahlenarten (Alpha-, Beta-, Gamma-, Röntgen-Strahlung, Neutronen) wechselwirken unterschiedlich mit Materie, wie wir bereits gesehen haben (zum nochmaligen Nachlesen einfach hier klicken). Das bedeutet aber, dass bei gleicher Energiedosis \(D\) ihre Strahlenwirkung auf Organe unterschiedlich sein kann.

Zum Beispiel wird Alpha-Strahlung ein 20-fach höheres Krebsrisiko im Vergleich zu Röntgen-Strahlung zugeschrieben. Auch sind die einzelnen Organe des Menschen unterschiedlich empfindlich für Strahlung. Bei gleicher Energiedosis besteht beispielsweise für die Lunge ein mehr als 10-fach so hohes Krebsrisiko wie für die Bauchspeicheldrüse (alle Angaben aus Strahlenschutz KOMPAKT des Fachverbandes Strahlenschutz e. V.).

Somit ist die effektive Energiedosis keine geeignete Größe, um das mit einer Strahlenexposition verbundene biologische Risiko bewerten zu können.

Um dieses Problem zu umgehen, wurde im Strahlenschutz die Größe der Äquivalentdosis \(H\) eingeführt. Diese ist mit der effektiven Energiedosis \(D\) durch einen Wichtungsfaktor \(w\) verknüpft.

\[ H = w \cdot D \]

Der Wichtungsfaktor \(w\) berücksichtigt die unterschiedliche Wirksamkeit der verschiedenen Strahlenarten.

Lassen Sie uns als Bezeichnung für die Strahlenart die Abkürzung \(R\) einführen (d. h. \(R\) kann für Alpha-Strahlung, oder Beta-Strahlung, oder … stehen). Da diese jeweils auch für jedes Organ (oder Gewebe) unterschiedlich sein kann, gibt es für jedes Organ (lassen Sie uns für die Bezeichnung der Organe die Abkürzung \(T\) einführen, d. h. \(T\) kann für Lunge, Augenlinse, oder … stehen) einen eigenen Bewertungsfaktor \(w_{T,R}\) einführen.

Damit ergibt sich bei Strahlenexposition des Organs oder Gewebes \(T\) mit der Strahlenart \(R\) die Organ-Äquivalentdosis \(H_T\)

\[H_T = w_{R} \cdot D_{T,R} \]

Jetzt gehen wir noch einen Schritt weiter und berücksichtigen, dass bei einer Strahlenexposition ein Organ oder Gewebe nicht nur einer Strahlenart, sondern verschiedenen Strahlenarten gleichzeitig ausgesetzt ist. Dies berücksichtigen wir, indem wir die effektive Energiedosis \(D_{T,R}\) für ein Organ mit dem zugehörigen Strahlen-Wichtungsfaktor \(w_R\) für die Strahlenarten multiplizieren – wie bereits zuvor gezeigt – aber nun die entsprechenden Beiträge für alle Strahlenarten addieren.

\[ H_T = \sum_R w_{R} \cdot D_{T,R} \]

Entsprechend zur Äquivalentdosis ist die Äquivalentdosisleistung definiert als die pro Zeiteinheit aufgenommene Äquivalentdosis. Die Einheit für die Äquivalentdosisleistung ist Sv/h, wird aber auch üblicherweise in mSv/h oder µSv/h angegeben.

Nicht berücksichtigt haben wir bislang, dass die einzelnen Organe und Gewebe ebenfalls unterschiedlich auf Strahlung reagieren. Dies berücksichtigen wir durch zusätzliche Strahlen-Wichtungsfaktoren \(w_T\) für alle Organe und Gewebe im menschlichen Körper in der abschließenden Gleichung für die effektive Dosis \(E\)

\[ E = \sum \limits_T w_T \cdot H_T = \sum \limits_T \left( w_T \cdot \sum \limits_R w_{R} \cdot D_{T,R} \right) \]

d. h. wir gewichten jede Organ-Äquivalentdosis \(H_T\) mit dem Wirkungsfaktor des jeweiligen Organs bzw. Gewebe und summieren die einzelnen Beiträge auf, um die effektive Dosis \(E\) zu erhalten. Wir erhalten dann den über den gesamten Körper gebildete Mittelwert aus den Organ-Äquivalentdosen unter Berücksichtigung der Strahlenempfindlichkeit der verschiedenen Organe.

Dabei gilt es noch einen letzten Punkt zu beachten: Die Summe aller Wirkungsfaktoren \(W_T\) muss gleich 1 ergeben.

\[ \sum \limits_T w_T = 1 \]

Jetzt ist natürlich noch eine Frage offen: Woher bekommen wir die Werte für die verschiedenen Strahlen- und Organ-Wichtungsfaktoren? Hier helfen uns „Die Empfehlungen der Internationalen Strahlenschutzkommission (ICRP)“ weiter. Diese enthalten Tabellen mit empfohlenen Werten der Strahlungs-Wichtungsfaktoren für die verschiedenen Strahlenarten und die verschiedenen Gewebewichtungsfaktoren.

Jetzt stellt sich natürlich die Frage, welchen Nutzen haben die berechneten effektiven Dosiswerte? Hier kommen nun die gesetzlich vorgegebenen Grenzwerte für die Personendosen ins Spiel.

Zum Schutz der Gesundheit sind vom Gesetzgeber Grenzwerte für die maximale Dosis, die eine beruflich strahlenexponierte Person erhalten darf, im Strahlenschutzgesetz (StrlSchG) in § 78 Grenzwerte für beruflich exponierte Personen festgelegt. Die Grenzwerte für die Bevölkerung sind entsprechend in § 80 Grenzwerte für die Exposition der Bevölkerung (StrlSchG) festgelegt.

Die nachfolgende Tabelle gibt die wesentlichen Grenzwerte für beruflich strahlenexponierte Personen wieder, die in einem Kalenderjahr nicht überschritten werden dürfen.

Zusätzlich ist für das gesamte Berufsleben eine Lebensdosis von maximal 400 mSv festgelegt.

Für Einzelpersonen der Bevölkerung beträgt der Grenzwert der Summe der effektiven Dosen 1 mSv im Kalenderjahr.

Bei den Dosen sind immer innere und äußere Exposition gemeinsam zu berücksichtigen.

Wir haben die Energiedosis \(D\) als fundamentale dosimetrische Ausgangsgröße kennengelernt. Diese physikalische Größe tritt im Strahlenschutz gegenüber der effektiven Dosis \(E\) in den Hintergrund, da diese die aussagekräftigste Größe ist. Sie ist ein direktes Maß für das Risiko stochastischer Strahlenschäden. Sie ergibt sich als Summe der gewichteten Organ-Äquivalentdosen. Dabei wird die unterschiedliche Empfindlichkeit der verschiedenen Organe und Gewebe berücksichtigt. Ihre Einheit ist das Sievert (Sv). Diese berechneten Werte können mit den gesetzlich vorgegebenen Grenzwerten verglichen werden, um zu einer Einschätzung zu einer möglichen gesundheitlichen Gefährdung zu gelangen.

Im nächsten Abschnitt behandeln wir die Bestimmung der effektiven Dosis in der Praxis, d. h. wie messen wir die effektive Dosis bzw. Dosisleistung.

Bei den Messungen der Dosis unterscheidet man zwischen Messungen der Ortsdosis und der Personendosis. Die Ortsdosis bezieht sich auf die Messung der Dosis an einem bestimmten Ort, die Personendosis auf die Messung der individuellen Strahlendosis, die eine Person aufnimmt.

In den meisten Messungen wird die Dosisleistung gemessen, d. h. die Orts- oder Personendosis bezogen auf ein Zeitintervall, beispielsweise auf eine Sekunde oder eine Stunde. Um aus diesen Werten die Dosis zu erhalten, müssen die entsprechenden gemessenen Dosisleistungswerte über die Zeitdauer der Exposition aufaddiert werden.

Beispiel:
Eine Person befindet sich während einer Zeit \(t\) an einem Ort, an dem eine Ortsdosisleistung \(ODL\) herrscht. Die von der Person während ihres Aufenthalts erhaltene Dosis berechnet sich gemäß
\[ ODL \cdot t = erhaltene Dosis \]

Zahlenbeispiel:
\[ 5~µSv/h \cdot 5~h = 25~µSv\]

d. h. die Person hat während ihres fünf Stunden dauernden Aufenthalts an einem Ort, an dem eine Ortsdosisleistung von \(5~µSv/h\) herrscht, eine Äquivalentdosis von \(25~µSv\) erhalten.

Abhängig von der Art der Strahlung müssen unterschiedliche Dosisleistungsmessgeräte verwendet werden.

Für die Überwachung der Personendosis sind amtliche Albedodosimeter sowie jederzeit ablesbare elektronische Dosimeter beim Betreten von Kontrollbereichen in der vorderen oberen Körperhälfte zu tragen. Die amtlichen Albedodosimeter integrieren die Personendosisleistung während dieser Aufenthaltszeiten auf. Sie werden turnusmäßig von amtlich beauftragten Stellen ausgelesen und die Personendosis im Überwachungszeitraum bestimmt und registriert.

Da die Dosis mit den amtlichen Albedodosimetern erst nach Auslesen durch die Messstelle bekannt sind, d. h. meist längere Zeit nach dem Aufenthalt in Kontrollbereichen, müssen zusätzlich noch elektronische, jederzeit ablesbare Dosimeter getragen werden. Diese zeigen die aktuelle Dosisleistung bzw. die während des Aufenthaltes in einem Kontrollbereich erhaltene Dosis an. Sie werden beim Betreten eines Kontrollbereiches jeweils auf null zurückgesetzt und die Werte beim Verlassen des Kontrollbereichs registriert. Zusätzlich können in den elektronischen Personendosimetern Warnschwellen gesetzt werden, die ein akustisches Signal beim Überschreiten von Dosisleistungen erzeugen. Hierdurch wird vor Bereichen mit erhöhter Dosisleistung gewarnt.

Die nachfolgenden Abbildungen zeigen jeweils zwei amtliche und nicht-amtliche Personendosimeter.

In speziellen Fällen können noch weitere amtliche Dosimeter, wie z. B. Fingerringdosimeter oder Augendosimeter (an der Schutzbrille befestigt) erforderlich sein, wenn die Gefahr einer erhöhten Bestrahlung von einzelnen Körperteilen, wie Finger oder Augen, besteht.

Um von vornherein zu vermeiden, dass sich Personen einer erhöhten Strahlung (unbewusst) aussetzen, werden Ortsdosisleistungsmessungen durchgeführt. Auch hier ist wieder zu beachten, dass für die verschiedenen Strahlungsarten meist unterschiedliche Ortsdosisleistungsmessgeräte eingesetzt werden müssen.

Die nachfolgenden Abbildungen zeigen einige verschiedene Ortsdosisleistungsmessgeräte.

Wen es interessiert wie Dosisleistungsmessgeräte funktionieren, dem sei der Abschnitt Detektoren empfohlen.

Wir haben nun gesehen, welche Dosis- und Dosisleistungsgrößen es gibt, wie sie gemessen werden und wie die bestimmten Werte anhand von Grenzwerten bewertet werden können. In den nachfolgenden Abschnitten gehen wir abschließend auf die Wirkung der verschiedenen Strahlenarten auf biologische Organismen ein.