Andreas Kühar - CBRN-Schutz in der Gefahrenabwehr

β-Strahlung sollte nicht mit dichterem Material, z. B. Blei abgeschirmt werden, da dabei γ-Strahlung freigesetzt wird (Induktion von Bremsstrahlung). Daher sollte Abschirmmaterial für β-Strahlung eine geringe Dichte aufweisen, wie z. B. Plexiglas.

Die γ-Strahlung schlägt beim Auftreffen auf ein Hüllenelektron eines Atoms dieses aus der Atomhülle heraus (Photo-Ionisation). Als elektromagnetische Wellenstrahlung kann sie nicht vollständig abgeschirmt werden, sondern lässt sich nur abschwächen. Die Strahlungsintensität nimmt dabei exponentiell mit der Eindringtiefe ab. Für die γ-Strahlung (und auch die Röntgenstrahlung) kann daher keine Reichweite angegeben werden, sondern lediglich eine Halbwertdicke.

Diese bezeichnet die Dicke einer Materialschicht, nach der die Intensität der eingedrungenen Strahlung halbiert ist. Die Schwächung ist abhängig von der Energie der Strahlung und dem verwendeten Abschirmmaterial. Höhere Energie der Gammaquanten bedeutet ein größeres Durchdringungsvermögen. Eine höhere Ordnungszahl des Wechselwirkungsmaterials führt zu einer größeren Abschirmwirkung. Das gängigste Material zur Abschirmung von elektromagnetischer Wellenstrahlung ist Blei.

Tabelle 3: Halbwertdicke einer 2 MeV-γ-Strahlung (Die maximale Energie der gebräuchlichsten Gamma-Strahler liegt unter 2 MeV)

MaterialHalbwertdicke

Die Neutronenstrahlung kann auf zwei Arten mit Materie wechselwirken. Bei der Wechselwirkung mit leichten Kernen (z. B. des Wasserstoffatoms) kann die gesamte Energie des Neutrons übertragen werden. Wasserstoffhaltige Materialien (Paraffin, Wasser) sind daher zum Abbremsen von Neutronenstrahlung besonders geeignet. Trifft ein Neutron auf einen Atomkern, kann es durch diesen eingefangen werden. Dadurch ist eine Aktivierung des Kerns möglich. Durch Abgabe von γ-Strahlung kann die überschüssige Energie wieder abgegeben werden (neutroneninduzierte γ-Strahlung). Die verschiedenen Methoden zur Messung der Radioaktivität beruhen auf deren Wechselwirkungen mit unterschiedlichen Materialien.

Der Effekt ionisierender Strahlung auf Körperzellen lässt sich in zwei aufeinander folgende Strahlenwirkungen einteilen:

Primärprozess (physikalische Phase – Wechselwirkung von Strahlung mit Materie):

Ionisation und Anregung von Atomen des biologischen Systems. Diese Frühphase ist innerhalb 10 -6Sekunde abgeschlossen.

Sekundärprozess (chemische und biochemische Folgeprozesse):

Bindungsbrüche und Bildung freier Radikale, die Veränderung an Biomolekülen und Störungen des zellulären Stoffwechsels bewirken.

Aufgrund dieser Effekte können die betroffenen Zellen ein verändertes biologisches Verhalten zeigen, das zu Funktionsverlusten bis hin zum Zelltod führen kann (biologische Bestrahlungseffekte). Der Organismus verfügt über verschiedene Reparatursysteme, um diese biologischen Bestrahlungseffekte soweit zu minimieren, dass keine gesundheitlichen Folgen auftreten. Wird jedoch ein individueller Schwellenwert der Dosisbelastung überschritten, können die Bestrahlungsfolgen nicht mehr repariert werden. Es tritt ein Strahlenschaden auf.

Die einzelnen Strahlenarten unterscheiden sich hinsichtlich ihrer biologischen Wirkungen bei gleichen Energiedosen. Dabei ist von entscheidender Bedeutung, dass sie eine unterschiedliche Ionisationsdichte hervorrufen. Je größer sie ist, desto größer sind auch die biologischen Wirkungen. Das wird durch den Strahlungs-Wichtungsfaktor berücksichtigt.

Die biologischen Strahlungseffekte lassen sich in somatische und genetische Schäden unterschieden. Somatische Schäden betreffen den bestrahlten Organismus direkt und können in Früh- und Spätschäden eingeteilt werden. Für die Schwere der Frühschäden ist die Höhe der Dosisbelastung entscheidend. Ab der Gefährdungsdosis (um 250 mSv) sind reversible Veränderungen des Blutbildes nachweisbar. Mit zunehmender Dosis können zunächst zerebrale Symptome auftreten, wie Kopfschmerzen, Übelkeit, Erbrechen (»Strahlenkater«) bis zur Bewusstlosigkeit. Nach einem kurzen beschwerdefreien Intervall folgt die gastrointestinale Phase mit Resorptionsstörungen im Dünndarm verbunden mit Durchfällen, Wasser- und Elektrolytstörungen sowie Veränderungen im Knochenmark und Gewebeblutungen.

Die Symptome eines Strahlenschadens treten, abhängig von der Dosis, nach wenigen Stunden und spätestens ein bis zwei Tage nach Strahleneinwirkung auf. Spätschäden (z. B. Leukämie) sind nicht an einen Schwellenwert gebunden. Mit höherer Dosis steigt allerdings die Wahrscheinlichkeit für eine Folgeerkrankung. Das Auftreten von Strahlenschäden ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Neben der Höhe der Dosis sind die Strahlenart, die Aufnahmewege (Bestrahlung von außen, Kontamination oder Inkorporation mit möglicher Einlagerung in Körperorgane [Jod-131 in der Schilddrüse, Strontium-90 im Skelett]), die Aufnahme als Teilkörper- oder Ganzkörperdosis, die Zeitdauer der Aufnahme (je länger die Zeitspanne, desto besser kann der Körper die entstehenden Schäden reparieren). Nicht zuletzt ist die individuelle Verfassung für den Schaden entscheidend.

Tabelle 4: Biologische Effekte nach einer Ganzkörperbestrahlung

Dosisbiologischer Effekt

Besonders gefährdet sind Organe mit einer hohen Zellteilungsrate, da die Reparaturmechanismen während der Teilungsphase nur ungenügend wirksam sind. Eine hohe Zellteilungsrate findet sich auch bei der Produktion roter Blutkörperchen oder bei den Schleimhautzellen im Magen-/Darmtrakt. Auch der menschliche Embryo reagiert sehr empfindlich auf Strahlung. Genetische Schäden stellen Mutationsschäden des Erbguts dar, die an folgende Generationen weitergegeben werden können. Allerdings ist die Mutationsrate gering.

Die Aktivität (Zerfallsrate) ist die Anzahl von Kernumwandlungen pro Sekunde. Die Einheit der Aktivität ist das Becquerel (Bq). Ein Becquerel entspricht dabei einem Kernzerfall pro Sekunde:

Als spezifische Aktivität wird die massenbezogene Aktivität bezeichnet, die Einheit ist Becquerel pro Kilogramm (Bq/kg).

Tabelle 5: Spezifische Aktivität verschiedener Radionuklide

RadionuklidRadionuklid

Als Energiedosis wird die von der Strahlung pro Masse an das bestrahlte Material abgegebene Energie bezeichnet. Die Einheit der Energiedosis ist Joule pro Kilogramm (J/kg). Sie wird im Strahlenschutz als Gray (Gy) bezeichnet (1 Gy = 1 J/kg). Die Intensität der Strahlung (Energiedosisleistung) wird durch die Energiedosis pro Zeiteinheit, Gray pro Stunde (Gy/h) wiedergegeben.