Dosimetrie der Strahlungen radioaktiver Stoffe

308 Pages·1961·14.286 MB·German

by  Dr. phil. Walter Minder (auth.)

Dosimetrie der Strahlungen
radioaktiver Stoffe
Von
Dr. phil. Walter Minder
ao. Professor fUr medizinisme Strahlenphysik
an der Universitat und Leiter des Radium"Institutes
in Bern
Mit 137 T extabbildungen
Wien
Springer ... Verlag
1961
ISBN-13:978-3-7091-7907 -9 e-ISBN-13:978-3-7091-7906-2
DOl: 10.1007/978-3-7091-7906-2
AHe Rechte,
insbesondere das der Ubersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten
Ohne ausdriickliche Genehmigung des Verlages
ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus
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oder sonstwie zu vervielfaltigen
© by Springer-Verlag in Vienna 1961
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1961
Vorworl
Strahlendosimetrie - als die Sum me aller Erkenntnisse und Methoden
zum Ausdruck der einem System, insbesondere dem menschlichen Korper
oder Teilen desselben "einverleibten" Energie ionisierender Strahlungen
in MaB und Zahl - ist in den vergangenen J ahren eine theoretisch und
experimentell sehr wohl fundierte Wissensdisziplin geworden. Ihre Be
deutung als wichtigste Voraussetzung jeglicher Einsicht in irgendwelche
Bestrahlurigsfolgen steht nirgends zur Diskussion; ihre auBere Stellung
als "Randgebiet" harrt noch mancherorts der ihr gebiihrenden An
erkennung. Strahlendosimetrie ist heute nicht mehr nur eine als mehr
oder weniger wichtig angesehene "technische Hille" bei der Strahlen
therapie, sondern weit iiber ihr Ursprungsgebiet hinaus Grundlage
zahlreicher Aufgaben aus Physik, Chemie, Biologie und Technologie
und schlieBlich Ausgangspunkt der heute so wichtig scheinenden Strahlen
hygiene. Trotzdem ist ihr Ursprung, die Strahlentherapie, ihr innerlich
dankbarster Gegenstand geblieben.
Mit dem ungeheuren Aufschwung der Bedeutung der Atomtechnik
und dem "Ausbruch" der Radioaktivitat iiber das ganze periodische
System der Elemente wurden die Aufgaben der "Dosimetrie der Strah
lungen radioaktiver Stoffe" nicht nur sehr stark verbreitert, sondern
sie sind auch sehr erheblich komplexer und vertiefter geworden. Ent
sprechend ist auch der erforderliche Aufwand an kon~reter Rechen
oder MeBarbeit, oder beider, gewachsen. Es ist der Hauptzweck des
vorliegenden Buches, diesen Aufwand im allgemeinen, besonders aber
bei der Therapie mit radioaktiven Stoffen, moglichst erleichtern zu helfen.
Als ich vor 20 Jahren die mir damals wichtig scheinenden Tatsachen
und GesetzmaBigkeiten der "Radiumdosimetrie" erstmals in a bgeschlossener
Form zusammenstellte, durfte ich die Genugtuung erleben, damit zahl
reichen Fachgenossen, Arzten und Physikern eine Hilfe geleistet zu haben.
Dieses Biichlein hat iiberall eine sehr bereitwillige Aufnahme gefunden
und mir zahlreiche Freunde erworben. Es war trotz dem Krieg in kurzer
Zeit vergriffen und wurde 1944 - allerdings ohne Wissen des Autors
und des Verlegers - "in the Public Interest by Authority of the Alien
Property Custodian" photomechanisch vervielfaltigt.
Wenn man heute eine Zusammenstellung der "Dosimetrie der Strahlun
gen radioaktiver Stoffe" zu schreiben versucht, so steht man nicht nur
einer "stofflich" sehr stark erweiterten Aufgabe gegeniiber, sondern auch
einem innern Zwiespalt. Die Verantwortung fiir das Ergebnis einer
IV Vorwort,
strahlentherapeutischen MaBnahme lastet auf den Schultern des Arztes.
Er sollte also eine derartige Zusammenstellung lesen, verstehen und
verwenden konnen. Strahlendosimetrie ist aber andererseits in konkreter
Durchfiihrung und besonders in ihren Voraussetzungen mit vielen grund
satzlichen und technischen physikalischen Schwierigkeiten verbunden und
erfordert zusatzlich ein erhebliches mathematisches Konnen, so da13
auch fiir einen theoretisch und meBtechnisch gut geschulten Physiker
zu ihrem vollen Verstandnis eine langere, intensive Einarbeit erforderlich
ist. Ein Buch iiber Dosimetrie sollte abel' auch ihm eine Hilfe sein.
Die vorliegende Arbeit stellt eine mil' "verniinftig" scheinende
Synthese zwischen "Praxis und Theorie" dar. Es ist versucht worden,
praktisch unmittelbar odeI' nach wenigen elementaren Umrechnungen
brauchbare Zahlenwerte del' Bosis in Form von Tabellen, Kurven und
Planen zu vermitteln, und gleichzeitig sollte fiir dieselben in einem etwas
erweiterten Rahmen eine korrekte, abel' nicht allzu anspruchsvolle
Begriindung angegeben werden. Der therapeutische Praktiker wird
deshalb die meisten Zahlenwerte ohne erheblichen vorgangigen Arbeits
aufwand verwenden konnen, dem Dosimetriefachmann andererseits solI
Material fiir ein vertiefteres Studium allgemeiner und konkreter Aufgaben
zur Verfiigung gestellt werden. Fiir den letzteren sind insbesondere auch
die recht umfangreichen Literaturangaben gedacht, welche den einzelnen
Abschnitten beigefiigt wurden und diesel ben damit auch au13erlich
einigerma13en in sich abschlie13en. Del' Absicht einer gewissen Geschlossen
heit del' einzelnen Abschnitte wegen konnten einige Wiederholungen nicht
vermieden werden.
Wiederum erfreute ich mich vielseitiger und freundlicher Hilfe. So
wurde mir von den Verlagen Sauerlander, Aarau, und Huber, Bern,
gestattet, Abbildungen und Textausschnitte aus in diesen Verlagen vor
kurzem erschienenen BiicheI'll, an denen ich mitgearbeitet hatte (MOHLER:
"Chemische Wirkungen ionisierender Strahlungen", Sauerlander; FIEBEL
KORN und MINDER: "Therapie mit Rontgenstrahlen und radioaktiven
Stoffen", Huber), zu iibernehmen. Gleiches gilt fiir die friiher im Springer
Verlag, Wien, erschienenen Biicher LIECHTI-MINDER: "Rontgenphysik"
(1955) und MINDER: "Radiumdosimetrie" (1941). SchlieBlich haben mir
mehrere Stellen wertvolle Bildunterlagen zur Verfiigung gestellt.
All den Helfern sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Mein besonderer
Dank gebiihrt aber dem Springer-Verlag in Wien fiir sein stets freundliches
und geduldiges Verstandnis bei allen meinen Wiinschen, sowie fiir die
schone Ausstattung der vorliegenden Arbeit.
Bern, im Herbst 1960
Walter Minder
Inhaltsverzeichnis
Erstel' Abschnitt
Erscheinungen und Gesetze der Radioaktivitiit
i:!eite
1. Einleitung .................................................. . 1
2. Der Bau des Atoms .......................................... . 3
a) Theorie del' Elektronenhiille ................................ . 6
b) Der Atomkern ............................................ . 11
c) Stabilitatsbetl'achtungen ................................... . 14
3. Die Strahlungen radioaktiver Stoffe ........................... . 17
a) Die ex-Strahlen ............................................ . 18
b) Die tJ-Strahlen ............................................ . 22
c) Die y-Stl'ahlen ............................................ . 26
d) Del' K-Einfang ........................................... . 29
e) Sekundarstrahlen .......................................... . 30
4. Del' radioaktive Zerfall ....................................... . 30
a) Form des Zerfallsgesetzes .................................. . 30
b) GesetzmaJ3igkeiten von Zerfallsl'eihen ....................... . 34
ex) Das radioaktive Gleichgewicht ........................... . 34
(J) Kurzlebige Tochtersubstanz einer langlebigen Muttersubstanz 35
y) Del' kurzlebige aktive Niederschlag der Radiumemanation _ .. 36
5. Radioaktive Stoffe ........................................... . 37
a) Allgemeine Bemerkungen. : ..... : ........................... . 37
b) Naturliche radioaktive Stoffe ............................... . 37
c) Kunstliche Radioakti vitat .................................. . 41
ex) El'zeugung kunstlich radioaktiver Stoffe .................. . 42
(J) Einfache Kernreaktionen ................................ . 44
y) Die Kernspaltung ...................................... . 48
Literatul' ..................................................... . 51
Zweiter Abschnitt
Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materic
1. Die Erscheinungen del' Strahlenschwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55
a) Formale GesetzmaJ3igkeiten ................................. 55
b) Die Schwachungsvorgange bei y-Strahlen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59
ex) Del' Photoeffekt (Absorptionsvorgang) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62
(J) Del' Streuvorgang (COMPTON-Effekt)............ . . . . . . . . . .. 63
VI Inhalt»vorzoiehnis
i'lcitc
y) Del' Paarbildungsvorgang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66
15) Gegenseitige Beziehungen del' Einzelvorgange und theoretisehe
Ubersieht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 67
e) Die Sehwiiehung von tI-Strahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72
d) Die Schwachung von ex-Strahlen ............................ 77
e) Strahlengemische, Filterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2. Energieiibertragung auf stoffliehe Systerne ...................... 80
a) Strahlenwirkungen auf Gase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81
b) Strahlenwirkungen auf kondensierte Systeme ................. 92
ex) Fliissigkeiten......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 92
tI) Feste Karpel' .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 94
c) Grundsatzliches ZUl' Wirkung auf biologische Systeme . . . . . . . .. 95
ex) Physikalische Primarwirkungen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 96
13) Physikoehemische Primarwirkungen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97
Literatur........... ...................... ................ .. ... 99
Dritter Abschnitt
Mcl.lmethoden radioaktivcr Stoffc
1. Allgemeine Zielsetzung ........................................ 104
2. Die Gasionisation als MeBwirkung £iiI' die Strahlungen radioaktiver
Stoffe ...................................................... " 105
3. Prinzip del' Ionisationsmessung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 107
4. Zahlverfahren ................................................. 109
5. Interpretation del' MeJ3ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. III
a) Messungen der Aktivitat .................................... 112
b) Messung ex-strahlender Stoffe ................................ 115
c) Messung del' Radiumemanation (Radon) ............ , ......... 116
d) Gowichtsaquivalenz fUr y-strahlende Praparate ................ 119
Literatur ...................................................... 122
Viertel' Abschnitt
Die Strahlendosis
1. Definitionen und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 128
a) Der Dosisbegriff .......................................... " 128
b) Einheiten der Strahlendosis ............................... " 130
ex) Altere Einheiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 130
{J) Das Rontgen: r ................................ '" .... " 131
c) Elektronen- und Korpusk~larstrahlen ........................ 134
d) Relative biologische Wirksamkeit; das "rem" . . . . . . . . . . . . . . . .. 137
2. Zusammenhang zwischen Aktivitat und Strahlendosis ............ 138
a) Einheit del' Radioaktivitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 138
b) Grundlagen del' Dosisberechnung bei ex-strahlenden Nucliden ... 139
c) Grundlagen der Dosisberechnung bei tI-strahlenden Nucliden ... 140
d) Dosis und Aktivitat bei y-Strahlen; die Dosiskonstante ........ 142
ex) Definition und Berechnung del' Dosiskonstante ............ 142
tI) Messung der Dosiskonstante .............................. 144
y) Das Luftaquivalenzprinzip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146
Literatur ...................................................... 155
Inhalts verzeichnis VII
Fiinfter Abschnitt
Praktische Dosimetrie
Seite
A. Externe Bestrahlungen ................................... . 160
1. Berechnung der y-Strahlendosis ............................. 161
a) Einige allgemeine Gleichungen ........................... 162
(X) Der strahlende Punkt ................................. 162
fJ) Die strahlende Gerade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 163
y) Die strahlende Kreislinie . .. .. .. .. .. .. .. .. .. . .. .. .. .... 174
0) Die strahlende Flache ................................ 185
£) Die strahlende Kugelfliiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 188
ODie strahlende Zylinderfliiche .......................... 190
b) Der strahlende Raum ............... " ................... 191
(X) Die homogen strahlende Kugel ........................ 192
fJ) Die Katheterbestrahiung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 200
y) Der strahlende Zylinder .............................. 202
2. Praparatekombinationen .................................... 204
a) Dosimetrie der Spickmethode ............................. 204
(X) "Zylinderformiger" Herd .............................. 205
fJ) "Kugelformige" Hercle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 207
y) Fliichenformige Herde ................................ 208
0) Beispiele. . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 210
b) Technik und Dosimetrie gyniikologischor Bestrahlungen ..... 211
(X) Cervixkanal.......................................... 212
fJ) Die Vaginalbestrahlung ............................... 212
y) Die Portioplatte ..................................... 215
0) Bestrahlung des Cavum uteri .......................... 216
E) Bestrahlung gutartiger Blutungen ...................... 217
3. Bestrahlungseinheiten...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 218
a) Radiumeinheiten ....... , ................................ 218
b) Einheiten mit kiinstlichen Radioisotopen .................. 219
c) Dosismessung an Bestrahlungseinheiten .................... 222
d) Die Bewegungsbestrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 224
B. Interne Bestrahlungen .................................... 225
1. Allgemeines und Methoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 225
2. Prinzip der Dosisberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 226
a) Allgemeine Berechnung der tf-Strahlendosis ................ 227
b) Berechnungtypischer Beispiele ........................... 231
(X) Injektion von Radiophosphor ......................... 231
fi) Radiojodtherapie der Schilddriise ...................... 232
C. Direkte Messung der Strahlendosis ....................... 234
1. Grundsatzliche Bemerkungen ............................... 234
2. Praktische MeI3gerate ....................................... 236
3. Strahlenchemische und andere MeI3verfahren ................. 241
4. Photographische Dosismessung .............................. 242
Li teratll r ...................................................... 247
VIII Inhaltsverzeichnis
Sechster Abschnitt
In del' Praxis verwendete radioaktive Stoffe
Seitc
1. Naturliche Radioelemente .................................... . 257
a) Radium .................................................. . 257
b) Radon ................................................... . 260
c) Mesothor, M Thl .......................................... . 264
d) Thorium X, Th X ......................................... . 266
e) Radiothor, R Th; Thorium B, Th B; Polonium, Po ........... . 267
2. Kunstliche radioaktive Stoffc ................................. . 267
a) Reine fi-Strahler .......................................... . 268
(X) Radiophosphor, 32p ..................................... . 268
fi) Radiostrontium, 90Sr .................................... . 269
b) Gemischte Strahler ........................................ . 271
(X) Radionatrium, 2tNa .................................... . 271
(3) Radiogold, 198 Au ....................................... . 271
y) Radiojod, 131J .......................................... . 272
c) Gemischte Strahler fiir externe Therapie .................... . 273
(X) Radiokobalt, 60CO ...................................... . 273
(3) Radiocaesium, 137CS ..................................... . 276
y) Radiochrom, 51Cr und Radioiridium, 192Ir ................ . 277
Literatur ..................................................... . 277
Sicbenter Abschnitt
Schutzproblemc und Ileren Behantllung
1. Basiswerte 282
2. Organisatorische und technische Mal3nahmen .................... 284
a) Organisatorische Mal3nahmen ................................ 284
b) 'l'echnische Anforderungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 284
c) Strahlenschutzmessungen .................................... 288
3. Arbeitsdisziplin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 289
4. Zwischenfiille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 289
Litorfitur ...................................................... 290
Anhang
Wichtige Konstanten ............................................ 293
Exponentialfunktion e -x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 294
r
I' a
Funktion F(rp, fl a) = J e- cOS'P drp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 295
o 00
Exponentialintegral: Ei (-x) = \. E:'..dx .......................... 296
. :c
x
Sachvorzcichnis .............................................. 297
Erster Abschnitt
Erscheinungen und Gesetze der RadioaktiviUit
1. Einleitung
Unter dem Begriff Radioaktivitat werden aIle Erscheinungen und Vor
gange zusammengefaBt, welche mit einer "von selbst" vor sich gehenden
Umwandlung bestimmter Grundstoffe, mit dem "spontanen Zerfall" in
stabiler Atomkerne in Zusammenhang stehen. Phanomenologie und Deu
tung der Radioaktivitat sind im einzelnen mannigfaltig, ihre sinnfalligste
Manifestierung ist die Emission von Strahlungen verschiedener Natur,
Energie und Genese.
Es gibt in der gesamten Geschichte menschlicher Kenntnisse neben del'
Radioaktivitat kein Wissensgebiet, dessen Entwicklung in der kurzen
Zeit von 60 Jahren eine hahere allgemeine Bedeutung erlangt hat, das
soweit in aIle Bereiche menschlichen Denkens und Schaffens eingedrungen
ist, und welches unsere Lebensgrundlagen in umfassendel'em MaBe be
einfluBt hat. Die Radioaktivitat ist innerhalb eines Menschenalters aus
einem wohl hochinteressanten, aber bescheidenen Forschungsgegenstand
zum sichersten \Veg zur Naturerkenntnis, zu einem der wirkungsvollsten
Mittel der Heilkunde, zur wohl wichtigsten Voraussetzung der zuktinftigen
Technik und Wirtschaft und zum bedrohlichsten Instrument der Macht
politik geworden. Einige kurze Bemerkungen zu ihrer Geschichte scheinen
deshalb wohl am Platze.
Am 20. Januar des Jahres 1896 hielt der groBe Mathematiker und
Philosoph HENRI POINCARE in der Pariser Akademie der Wissenschaften
einen Vortrag tiber den damaligen Stand der Naturwissenschaften. Dabei
sprach er auch tiber die von W. C. RONTGEN soeben entdeckten "X-Strah
len", demonstrierte die bertihmt gewordenen ersten Bilder und wies auch
auf die griine Fluoreszenz der Rahrenwand hin, welche bei der Erzeugung
der X-Strahlen zu beobachten war. Hangt diese Erscheinung wohl mit
der neuen, durchdringenden Strahlung ursachlich zusammen, so fragte
sich ein Harer dieses V ortrages, HENRI BECQUEREL, einer der besten
Kenner der Fluoreszenzerscheinungen in jener Zeit. Unter den zahl
reichen fluoreszierenden Stoffen, die er und schon sein Vater gesammelt
Minder, Dosimetrie
2 Erscheinungen und Gesetze der Radioaktivitat
und untersucht hatten, zeigten offensichtlich mehrere U ranverbindungen
eine der Fluoreszenz der Entladungsrahre von RONTGEN zum mindesten
der Farbe nach sehr ahnliche Lichtemission bei Bestrahlung mit Ultra
violett.
BECQUEREL fand, daB sich ein Kristall aus Kaliumuranylsulfat durch
die lichtdichte Riille, ja selbst durch diinne Aluminiumbleche hindurch
auf einer Photoplatte abbildete, wenn das System einige Zeit dem Licht
ausgesetzt wurde (erste Publikation: 24. Februar 1896). In einem wei
teren Versuch ergab sich aber, daB die Schwarzung der Platte auch dann
eintrat, wenn der Kristall nicht belichtet wurde, wenn also gar keine
Fluoreszenz vorhanden war. Dagegen war der Effekt nur bei Uran
verbindungen zu beobachten und stand mit deren Urangehalt in Zu
sammenhang. BECQUEREL nannte diese neu entdeckte Eigenschaft des
Urans und seiner Verbindungen, unsichtbare, durchdringende und photo
graphisch wirksame Strahlen auszusenden, Radioaktivitat.
Was aus dieser Entdeckung weiter folgte, mage summarischer auf
gezahlt werden. Von BECQUEREL wurde sehr bald auch gefunden, daB
die Strahlungen des Urans die Luft ionisieren, also elektrisch leitend
machen, und daB sie durch ein Magnetfeld abgelenkt werden. Seine
junge Schiilerin MARYA SKLODOWSKA, spatere Mme. CURIE, sollte die
ihr zuganglichen Uranmineralien auf die neue Erscheinung hin syste
matisch untersuchen. Hierbei entdeckte sie zunachst unabhangig von
ihm und gleichzeitig mit SCHMIDT, daB auch Thoriumverbindungen eine
Radioaktivitat aufweisen. Weiter machte sie die fiir die Folge sehr
wichtige Beobachtung, daB die Radioaktivitat natiirlicher Uranmineralien
mehrmals haher ist, als diejenige des aus ihnen abgetrennten Urans. In
Gemeinschaft mit ihrem Gatten PIERRE CURIE fand sie (im Sommer 1898)
in den Restlasungen des Urans das Element Polonium und zusammen
mit BEMONT (am 26. Dezember 1898) den wichtigsten radioaktiven
Grundstoff, das Radium. Bei diesen Arbeiten hatte ihr ein von JACQUES
CURIE, dem Bruder ihres Gatten, gebautes, piezoelektrisches Elektro
meter beste Dienste geleistet.
In rascher Folge wurden die "Emanationen" Thoron (DORN) und
Radon (OWEN und DEBIERNE), der "aktive Niederschlag" (M. und P.
CURIE), die Aktivitat des Aktiniums (SCHMIDT) sowie ein gewisser Zusam
menhang zwischen den einzelnen radioaktiven Grundstoffen aufgefunden,
so daB 1902-1905 RUTHERFORD zur Aufstellung der ZerjaZZsgesetze
schreiten konnte, nachdem auch die Natur der Strahlungen von ihm
und seinen Mitarbeitern abgeklart worden war.
Die nachsten Jahre waren gekennzeichnet durch die langwierigen
Arbeiten zur Reindarstellung des Radiums und dessen Atomgewichts
bestimmung durch M. CURIE unter Mithilfe des Spektralanalytikers
DEMARQAY und durch die Klarung und Prazisierung der Erscheinungen,