Strahlenphysik 2010 _folien_pdf - Medizinische Hochschule Hannover

Strahlenphysik Grundlagen
Dr. Martin Werner, 17.02.2010
Strahlentherapie und spezielle Onkologie
Strahlenphysik Grundlagen

Elektromagnetisches Spektrum
aus Strahlentherapie und Radioonkologie aus interdisziplinärer Sicht, 5. Auflage, Lehmanns Media

Ionisierende Strahlungen
Teilchenstrahlung
Elektronenstrahlung (e - )
Betastrahlung (β − , β + )
Alphastrahlung (α)
Protonenstrahlung (p + )
Neutronenstrahlung (n)
Ladung
Ruhemasse m
Strahlenphysik Grundlagen
Wellenstrahlung
Röntgenstrahlung (X)
Gammastrahlung (γ)
keine Ruhemasse
keine Ladung

Entdeckung der Röntgenstrahlung
(X-Strahlung)
Röntgen 1895
Strahlenphysik Grundlagen

Entdeckung der Radioaktivität
Becquerel 1896
Strahlenphysik Grundlagen
Untersuchungen von
Uranerz im Sonnenlicht

Strahlenphysik Grundlagen
Aufbau des Atoms
Durchmesser
Atomhülle ca. 10 -10 m
Atomkern ca. 10
Massen
-15 m
Proton ≈1,67 x 10 -27 kg
Neutron ≈1,67 x 10 -27 kg
Elektron ≈9,11 x 10 -31 kg
Massenverhältnisse
e - : p + : n → 1 : 1836 : 1839

Strahlenphysik Grundlagen
Aufbau des Atomkerns
A X
Z
X = Symbol des
chemischen
Elementes
A = Massenzahl
Z = Kernladungszahl
N = Neutronenzahl
= A - Z

Aufbau des Atomkerns
Isotope Nuklide mit gleicher Protonenzahl und
unterschiedlicher Neutronenzahl
Strahlenphysik Grundlagen

Strahlenphysik Grundlagen
Nuklidkarte

Radioaktivität
Radioaktivität ist die Eigenschaft instabiler Kerne zu
zerfallen und dabei eine Strahlung zu emittieren
oder ein Hüllenelektron einzufangen.
Natürliche und künstliche Radioaktivität
Verschiedene Arten von Strahlung
Strahlenphysik Grundlagen

226
88
Strahlenphysik Grundlagen
Der Alpha-Zerfall
Ra
→
222
86
Rn
+
4
2
He

Strahlenphysik Grundlagen
Der Beta – - Zerfall
1
0
137
1
1
0
1
n→
p+
e −
137
+
Cs→
Ba+
55 56 −
( 0
ν ) 0
0
1
e
Beispiel: 131 I

1
1
22
Strahlenphysik Grundlagen
Der Beta + - Zerfall
p
1
0
22
0
1
→ n+
e +
+
( 0
ν ) 0
Na → Ne +
11 10 +
0
1
e
Beispiel: 18 F für PET

Strahlenphysik Grundlagen
Der Elektroneneinfang ε
0
−1
40
19
e
+
K
1
1
p
+
0
−1
→
e
1
0
n
+
→
( 0 ) ν 0
40
18
Ar
• Kern „fängt“ ein Elektron ein
(vorwiegend) aus der K-Schale
• tritt auf bei Neutronenunterschuss
• γ Strahlung
• durch „Auffüllung“ der Lücke
– Röntgenstrahlung
– Auger-Elektronen
(Elektronenstrahlung)
• Beispiel: I-125

Isomere Umwandlung
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Gammastrahlung
137m
56
99m
43
Ba→
Tc
→
137
56
99
43
Ba + γ
Tc + γ

Zerfallsgesetz
Zerfallsgesetz
t
e
A
t
A
λ
−
⋅
= )
0
(
)
(
t
e
N
t
N
λ
−
⋅
= )
0
(
)
(
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t
t
e
A
t
A
⋅
−
⋅
=
2
/
1
2
ln
)
0
(
)
(
λ
2
ln
2
1 =
t
Halbwertszeit

Die Halbwertszeit
• Physikalische HWZ:
Zeit, nach der sich die Aktivität halbiert hat
• Biologische HWZ:
Zeit, nach die Hälfte des evtl. inkorporierten
radioaktiven Stoffes ausgeschieden ist
• Effektive HWZ:
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1
t
eff
=
t
1
phys
+
1
t
bio

Typische Halbwertszeiten
Nuklid T 1/2 Zerfallsart Vorkommen
18 F 1,8 h β + Medizin (PET-Diagnostik)
99m Tc 6 h γ Medizin (Diagnostik)
131 I 8 d β – Medizin (Therapie)
3 H 12,3 a β – Labor, natürlich
14 C 5.730 a β – Labor, natürlich
137 Cs 30 a β – Kerntechnik
235 U 704 Mio. a α Kerntechnik, natürlich
232 Th 14 Mrd. a α natürlich
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Aktivität
=
Aktivität
Anzahl der Zerfälle
Zeiteinheit
SI-Einheit: Bequerel [1 Bq] = [1/s]
1 MBq = 10 6 Bq
1 GBq = 10 9 Bq
Alte Einheit: Curie [1Ci]
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A
=
ΔN
Δt
[1Ci]=[3,7·10 10 Bq = 37 GBq]

Erzeugung von Röntgenstrahlung:
Kathode
Heizstromkreis
U 20 V
I 3 - 8 A
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Röntgenröhre
Anodenteller
Röhrenstromkreis
U 100 kV
I 500 mA

Erzeugung von Röntgenstrahlung:
Strahlenphysik Grundlagen
Röntgenröhre
• Erzeugung von freien
Elektronen an der Kathode
(„Minuspol“)
• Beschleunigung der Elektronen
• Aufprall der Elektronen auf die
Anode („Pluspol“)
- Bremsstrahlung
- Charakteristische
Strahlung

Entstehung der Röntgenstrahlung I
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Röntgenbremsstrahlung

Entstehung der Röntgenstrahlung II
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Eigenstrahlung K α
Eigenstrahlung K β
Charakteristische
Strahlung

Spektrum der Röntgenstrahlung
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charakteristische Strahlung:
Linienspektrum ( K α und K β )
charakteristisch für das
verwendete Anodenmaterial
kontinuierliche Verteilung
der Bremsstrahlung:
Röhrenspannung bestimmt
Zusammensetzung und
maximal Energie

Filterung der Röntgenstrahlung
• Eigenfilterung
• Zusatzfilterung
• 2,5 mm Al-Gleichwert
• Warum ?
– Ausblendung des
energiearmen
Strahlungsanteils
→ „Aufhärtung“
→ Verringerung der
Strahlenexposition des
Patienten
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Absorption

Photo- und Comptoneffekt
Photoeffekt:
Photon wird absorbiert
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Comptoneffekt:
Photon wird gestreut

Wechselwirkung mit Materie
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a) Photoeffekt b) Comptoneffekt c) Paarbildung
aus Strahlentherapie und Radioonkologie aus interdisziplinärer Sicht, 5. Auflage, Lehmanns Media

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Biologische Wirkung

Dosisbegriffe
Die im Strahlenschutz üblicherweise verwendete
Dosis
(eigentlich: „radiobiologisch bewertete Energiedosis in Gewebe“)
ist ein Maß für die biologische Wirksamkeit, also
für die Gefährlichkeit einer Strahleneinwirkung.
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Energiedosis
D
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Energiedosis D
=
absorbierte
Strahlungsenergie
Masse
[1 Gy] =
=
[1J]
[1kg]
Alt:
1 Gy = 100 rad
ΔE
Δm

Äquivalente Dosis & Organdosis H
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Äquivalente Dosis & Organdosis H
H = D ⋅
Alt:
1 Sv = 100 rem
wR
Strahlungs-Wichtungsfaktor
w R = 1 ... 20
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E
= ∑ ⋅ T
T
H w
Gewebe-Wichtungsfaktor
w T = 0 ... 1
Effektive Dosis E
T
Beispiel: Aufnahme I-131; Organdosis in der Schilddrüse 100 mSv
effektive Dosis beträgt 5 mSv
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Energievergleich
• Auf einen Menschen (75 kg) wird eine Energie
von 500 J übertragen:
– A) Wärmeenergie (Wasser mit T = 100°C)
– B) Strahlungsenergie
• Welche Übertragungsvariante zeigt die größere
Wirkung?
Strahlenphysik Grundlagen

Energievergleich: Rechnung
• Strahlungsenergie
– 500 J / 75 kg = 6,6 J/kg = 6,6 Gy
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Energievergleich: Rechnung
• Strahlungsenergie
– 500 J / 75 kg = 6,6 J/kg = 6,6 Gy
• Wasser (100°C)
– 1 g H 2O (1 ml) um 1K (°C) erwärmen ≙ 1 cal
– 1 cal = 4,1 J
– 100°Erwärmung ≈ 410 J
→ 500 J ≈ 1,2 ml H 2O (100°C)
Strahlenphysik Grundlagen

Energievergleich: Rechnung
• Strahlungsenergie
– 500 J / 75 kg = 6,6 J/kg = 6,6 Gy
• Wasser (100°C)
– 1 g H 2O (1 ml) um 1K (°C) erwärmen ≙ 1 cal
– 1 cal = 4,1 J
– 100°Erwärmung ≈ 410 J
→ 500 J ≈ 1,2 ml H 2O (100°C)
• Ab 5 Gy 50% Todesrisiko !
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Strahlenexposition in Deutschland
Mittlere Gesamtexposition pro Jahr: 4,6 mSv
Dies wird verursacht durch natürliche sowie
zivilisatorisch bedingte Quellen.
kosmische Strahlung 0,3 mSv
terrestrische Strahlung 0,4 mSv
Nahrung 0,3 mSv
innere Bestrahlung 1,1 mSv
natürlich gesamt: ca. 2,1 mSv
Medizin 2 mSv
Industrie 0,01 mSv
Tschernobyl 0,01 mSv
Kernwaffentests 0,005 mSv
Flugreisen 0,005 mSv
Beruf 0,002 mSv
fossile Energieträger 0,002 mSv
Kernkraftwerke 0,001 mSv
Industrieprodukte 0,001 mSv
zivilisatorisch
gesamt: ca. 2,5 mSv
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Prozentuale Anteile der
unterschiedlichen Quellen an der
mittleren Jahresdosis:

Strahlenexposition in Deutschland
Strahlenphysik Grundlagen

Risiko durch ionisierende Strahlung
Das Risiko für das Auftreten stochastischer Strahlenschäden ist
abhängig von der Dosis.
Wahrscheinlichkeit für das Auftreten
von tödlichem Krebs:
5 % pro Sv oder 0,005 % pro mSv
Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von
schweren Erbschäden:
1 % pro Sv oder 0,001 % pro mSv
Das bedeutet:
Werden 100.000 Personen mit je 10 mSv bestrahlt, so werden statistisch
gesehen dadurch 50 an Krebs erkranken.
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Kernaussagen Physik der Strahlentherapie
aus Strahlentherapie und Radioonkologie aus interdisziplinärer Sicht, 5. Auflage, Lehmanns Media
Strahlenphysik Grundlagen

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Fragen ?
Nach der Pause geht’s weiter mit
„Strahlenschutz Grundlagen“.
Denken Sie bitte daran die Liste zu
unterschreiben.
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