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Biologische Wirkung ionisierender Strahlung und natürliche Radioaktivität / Radon
Franz Josef Maringer
Low-Level Counting Laboratory Arsenal, Wien &
Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen, Wien
818027 Praxisseminar Strahlenschutz‘ S2014
Historische Entwicklung des Strahlenschutzes
• Wilhelm Conrad Röntgen 1895
• Antoine-Henri Becquerel 1896
• Pierre Curie 1899
• 1900: 170 Strahlenschäden dokumentiert
• 1922: 100 Radiologen
2
1.1 Historische Entwicklung des Strahlenschutzes
• ab 1925: Int. Radiologen-Kongress (jährlich)
• 1928:
• ICRP Publication 26 (1977)
• ICRP Publikation 60 (1991)
• ICRP Publikation 103 (2007)
1.1 Historische Entwicklung des Strahlenschutzes
• 1925: 1. Int. Radiologenkongress, London:
Ausschuss für „Messgrößen, Maßeinheiten und Normalmesseinrichtungen für Röntgenstrahlung“
3
1.1 Historische Entwicklung des Strahlenschutzes
• 1926: Behnken & Jaeger (PTR Berlin):
„Die absolute Einheit der Röntgenstrahlendosis wird von der Röntgenstrahlenenergiemenge geliefert, die bei der Bestrahlung von 1 cm³ Luft von 18°C Temperatur und 760 mm Quecksilberdruck bei voller Ausnutzung der in Luft gebildeten Elektronen und bei Ausschaltung von Wandwirkungen eine so starke Leitfähigkeit erzeugt, dass die bei Sättigungsstrom erzeugte Elektrizitätsmenge eine elektrostatische Einheit beträgt. Die Einheit der Dosis wird 1 Röntgen genannt und mit R bezeichnet.“
1.1 Historische Entwicklung des Strahlenschutzes
• 1926: Freiluft-Ionisationskammer
Strahleneintrittsblende
primäres Ionisationsvolumen
Sekundärelektronenbahn
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• 1956: Health Physics Society
• 1966:
• UNSCEAR
• IAEA
• BIPM
Themenbereiche des Strahlenschutzes
• Wissenschaftliche Grundlagen – z.B. biologische Wirkung ions. Str.
• Standards, Regelungen, Recht
• Operativer Strahlenschutz = Praxis
• Aus- / Weiterbildung
• Messtechnik & Qualitätssicherung
• Emotionale, soziale & gesellschaftliche Aspekte
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1.2 Themenbereiche des Strahlenschutzes
Wirkung ionisierender Strahlung auf biolog. Organismen
• Ionisation von Biomolekülen
• Radikale
• Wasserstoffperoxid
• Peroxisradikale
• DNA
• Keimzellen
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Ionisierende Strahlung
Körperzellen
Keimzellen
Schäden bei bestrahlten Individuen Schäden bei Nachkommen
akute Schäden nichtmaligne Spätschäden
maligne Neoplasmen (Leukäme, Krebs)
genetische Schäden (Mutationen)
stochastische Schädendeterministische SchädenSpätschädenFrühschäden
2 - 20 μm 0,1 - 1 μm2 nm
Mensch: ca. 1014 Zellen, 23 Chromosomen, Gesamtlänge der verpackten DNA ca. 1 mnatürlicher Zellverlust pro Sekunde: ca. 3106
Genetische und cytologische Ausgangssituation
7
~ 20 h
G1-PhaseGap 1
G2 PhaseGap 2
S -Phase(Synthese)
G0-Phase
Mitose
Metaphase
Organismen zeigen unterschiedliche Strahlenempfindlichkeiten
• Es werden auch positive Strahlenwirkungen (bei niedrigen Strahlendosen) auf lebende Organismen durch Stimulation von Stoffwechselvorgängen und Anregung von zellulären Reparaturmechanismen beobachtet ‚Hormesiseffekte‘
8
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Dosisgrößen & Einheiten
ICRP 1990
Organ or tissue
ICRP 1977
Fatal cancer [% Sv-1]
Fatal cancer [% Sv-1]
Lethality [% Sv-1]
Loss of life [y Sv-1]
Bladder - 0.30 50 9.8 Bone surface 0.05 0.05 70 15.0 Breast 0.25 0.20 50 18.2 Colon - 0.85 55 12.5 Liver - 0.15 95 15.0 Lung 0.20 0.85 95 13.5 Oesophagus - 0.30 95 11.5 Ovary - 0.10 70 16.8 Skin - 0.02 0.2 15.0 Stomach - 1.10 90 12.4 Thyroid 0.05 0.08 10 15.0 Red bone marrow
0.20 0.50 99 30.9
Remainder 0.50 0.50 71 13.7 SUB-TOTAL 1.25 5.0 - - Hereditary effects
0.4 1.0 - 20.0
TOTAL 1.65 7.2 [weighted]
9
Site-specific cancer mortality excess relative risk (ERR) and 90% confidence intervals, expressed in terms of risk for females age 30 at exposure.
18
12
23
Radon 222
• Ordnungszahl: 86
• Massenzahl: 222
• Dichte (0°C, 105Pa): 9,73 g/l
• farbloses, geruchsloses Gas
• Wasserlöslichkeit• 0°C: 510 cm³/kg
• 20°C: 230 cm³/kg
• Diffusionskoeff. in Luft: 0,1 cm²/s
24
Uran-Radium-Umwandlungsreihe
14
27
Radonexposition 400 Bq/m³ in 70 Jahren (F=0,4)
Dosimetrisches Lungenmodell ICRP 66, 1994
Dosis/Exposition:0,05 mSv/(Bq.m-1.a)
Strahlenepidemiologie ICRP 60, 1991
Risiko/Dosis:5.10-2 Sv-1
Lebenszeit-Lungenkrebsrisiko
20 mSv.a-1
7 %
1.10-3 a-1
Bergarbeiter-Epidemiologie+
KorrekturenBergarbeiter Bevölkerung
Bergwerk Wohnung
Risiko/Exposition:1.10-4 /(Bq.m-1 .70a)
4 % 0 % bis 40 %
ICRP 50, 1987BEIR IV, 1988ICRP 65, 1993
Epidemiologische Studien der
Bevölkerung in Wohnungen
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Relatives Lungenkrebsrisiko bei Bergarbeitern (aus Jacobi, 1996)
1 WL ~ 3800 Bq/m³ EEDC-Rn-222300 Monate = 10 Monate/a x 30 a
15
29
Ergebnisse von7 Fall-Kontroll-
Studien -Radonexposition in
Wohnungen (aus Jacobi, 1996)
30
Darby S, Hill D, Auvinen A, Barros-Dios JM, Baysson H, Bochicchio F, Deo H, Falk R, Forastiere F, Hakama M, Heid I, Kreienbrock L, Kreuzer M, Lagarde F, Mäkeläinen I, Muirhead C, Oberaigner W, Pershagen G, Ruano-Ravina A, Ruosteenoja E, Schaffrath Rosario A, Tirmarche M, Tomášek L, Whitley E, Wichmann HE, Doll R:
Radon in homes and risk of lung cancer: Collaborative analysis of individual data from 13 European case-control studies.
BMJ 330: 223-227; 2005
17
33
R.E. Thompson et al.
• Health Physics 94(3), 2008
• Fallkontrollstudie 200 Fälle / 400 Kontrollen
• Biopositive Effekte statistisch signifikant festgestellt – die Lungenkrebsinzidenz sinkt überproportional unter 100 Bq/m³ Rn-222:
ICRP 103 (2007) → IAEA BSS (2011) → EU BSS (2013)
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• For existing exposure situations, reference levels for 222Rn should be expressed in terms of activity concentrations in becquerels per cubic metre.
• For dwellings(*), the BSS stipulates that the government shall establish a reference level that in general does not exceed an average annual activity concentration due to 222Rn of 300 Bq/m³.
• Based on current scientific knowledge and assuming an equilibrium factor for 222Rn of 0.4 and an annual occupancy rate of 7000 h, this corresponds to an annual effective dose of the order of 10 mSv (ICRP 2010).
• In the case of workplaces, the BSS requires that the national reference level must not exceed an average annual activity concentration for 222Rn of 1000 Bq m³. Assuming an equilibrium factor for 222Rn of 0.4 and an annual occupancy rate of 2000 h, this also corresponds to an annual effective dose of the order of 10 mSv.
18
35
Radon-Messtechnik
Radongas• Ionisationskammer
•Ladungsmessung/ Strommessung•Impulszählung (Alphaspektrometrie)
• passive Elektretdetektoren• Kernspurdetektoren• Aktivkohleadsorption
•LSC-Messung•Gammaspektrometrie
Folgeprodukte• Filtermethoden & Si-Surface-Barrier-Halbleiterdetektoren
•Alphaspektrometrie•Zählende Methoden
• Elektrostatische Abscheidung & SSB-Detektoren
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Grenzwerte / Richtwerte
Begrenzung der durchschnittlichen Radonkonzentration in Innenräumen gemäß dem empfohlenen Richtgrenzwertder österreichischen Strahlenschutzkommission (1993):
• Bestehende Gebäude: 400 Bq/m³
• Neuzuerrichtende Gebäude: 200 Bq/m³
(Arbeitsplätze / EU-Richtlinie: 1000 Bq/m³ ?)
USA: 148 Bq/m³ (EPA-Richtwert)
BRD: 250 Bq/m³ (Richtwert)
CH: 1000 Bq/m³ (gesetzl. Grenzwert).
19
Neue Richtwerte 2010 ICRP/WHO/IAEA
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• Konvergenz neuer Erkenntnisse
- Epidemiologische Studien bei Bergarbeitern (AlphaRisk)
- Pooling der epidemiologischen Studien Wohnbereich (Europa, Nordamerika, China -> weltweites Pooling)
- Adaptiertes dosimetrisches Modell
Verdoppelung des Risikofaktors (ICRP) !!!
(-> Anteil an durchschnittlicher Strahlenexposition in Österreich nun ~60% statt ~40%)
Neue Richtwerte 2010 ICRP/WHO/IAEA
38
bisher ab 2010
WHO at home < 1000 Bq/m³ < 300 Bq/m³
ICRP at homeat work
< 600 Bq/m³< 1500 Bq/m³
< 300 Bq/m³< 1000 Bq/m³
BSS IAEA at homeat work
< 200 – 400 Bq/m³< 1000 Bq/m³
< 300 Bq/m³< 1000 Bq/m³
BSS EU AltbautenNeubautenArbeitsplatz
< 400 Bq/m³< 200 Bq/m³
< 300 Bq/m³< 200 Bq/m³< 1000 Bq/m³
20
39
Radoneintritt und Strömung im Gebäude
p ~ 1...10 Pa
1...100 Bq/s
103-105 Bq/m³
102-103 Bq/m³
101-102 Bq/m³100-101 Bq/m³
40
Messung von Radon in Bodenluft
21
41
Radon im Boden - Oberösterreich
1
10
100
1000G
2
K2
G3
N1
K1
M2
G1
L2
N2
B1
A1
He
2
PO
2
SC
-2 S1
He
1
An
1
An
2
Fa
1
H2
P1
SC
- 1 S2
B2
L1
PO
1
H1 Gr
M1
Ob
2
Fa
2
Ro
2
KI -
2
Ro
1
KI -
1
Measuring position
Act
ivit
y co
nce
ntr
atio
n R
n-2
22 (
kBq
/m³)
Messposition
42
Geologie Österreichs
22
43
Radon
44
Radon in o.ö. Schulen
222Rn Bq/m³
20 40 60 200 400 600 2000 400010 100 1000
Su
mm
enhä
ufig
keit
%
0,20,5
12
5
10
2030
50
7080
90
95
9899
99,8316 Messungen
23
45
Radon in o.ö. Schulen
222Rn Bq/m³
20 40 60 200 400 600 2000 400010 100 1000
Su
mm
enhä
ufig
keit
%
0,20,5
12
5
10
2030
50
7080
90
95
9899
99,8
28 Messungen
46
Radonvorsorge bei Neubauten
• Gebäude- und Nutzungskonzeption
• Abdichten erdberührter Bauteile
• Abschottung des Kellerbereichs vom Wohnbereich
• Abschottung vertikaler Verbindungen zwischen den Geschoßen
• Dichte Gebäudehülle (dichte Fenster und Außentüren)
• Vorsorge für späteren Einbau einer Unterbodenabsauganlage im Bedarfsfall (Alterung der Abdichtmaterialien)
24
47
Gebäude- und Nutzungskonzeption
– Nutzung erdberührter Gebäudeteile
– Haupt- und Anschlußleitungen (z.B. Zählerkasten nicht im Kellergeschoß)
– Leitungsführung Wasser, Heizung, Elektro, Abwasser im Gebäude
– Lüftungskonzept oder Lüftungsanlage
– Stiegenhaus
– Erdkeller
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Abdichten erdberührter Bauteile
– Keller ausgeführt als ‚Weiße Wanne‘:• Durchgehende Bodenplatte und Wände aus
wasserundurchlässigem Beton B 300 / WU gem. ÖNORM B 4200-10, mind. 30 cm stark
• Fugenband bei Arbeitsabschnitten vertikal oder horizontal ÖBV-Richtlinie 1999 für WU Betonbauwerke, DIN 1848
– Kunststofffolie unter der Bodenplatte und an den Kellerwänden
– Dichtungsbahnen aus Polymerbitumen / Elastomerbitumen, 5 mm stark
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49
Einbau einer Unterboden-Unterdruckdrainage
50
Radonsanierung: Prinzipien
• Verdünnung mit Außenluft– Lüftungsplan
– Lüftungsanlage
• Abdichtmaßnahmen erdberührter Bauteile– Elastomerbitumen / Kellerboden
– Austausch / Neuaufbau erdberührter Bodenplatten
– Dichter Anschluß Bodenplatte / Wände
– Abdichtung von Installationsdurchführungen
• Haustechn. Beeinflussung des Druckgradienten– Unterbodenabsauganlage Unterdruck unter der Bodenplatte
– Zuluftanlage im Kellerbereich Überdruck im Kellerbereich
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51
Beheizbares Zuluftgerät
52
Funktion Zuluftanlage
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
Sa 10
.3.0
1 12
:00
So 11.
3.01
0:0
0
So 11.
3.01
12:
00
Mo 1
2.3.
01 0
:00
Mo 1
2.3.
01 1
2:00
Di 13.
3.01
0:0
0
Di 13.
3.01
12:
00
Mi 1
4.3.
01 0
:00
Mi 1
4.3.
01 1
2:00
Do 15.
3.01
0:0
0
Do 15.
3.01
12:
00
Fr 16.
3.01
0:0
0
Fr 16.
3.01
12:
00
Sa 17
.3.0
1 0:
00
Sa 17
.3.0
1 12
:00
So 18.
3.01
0:0
0
So 18.
3.01
12:
00
Ra
do
nk
on
zen
tra
tio
n in
Bq
/m³
außerhalb der Betriebszeit
während der BetriebszeitMittelwert Gesamt: 1975 Bq/m³Mittelwert Betrieb: 384 Bq/m³
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53
Radionuklide in der UmweltKosmische Elementsynthese
0
400
800
1200
1600
2000
2400
2800
3200
3600
4000
4400
4800
5200
5600
6000
6400
Di,28.01.03
08:00
Di,04.02.03
08:00
Di,11.02.03
08:00
Di,18.02.03
08:00
Di,25.02.03
08:00
Di,04.03.03
08:00
Di,11.03.03
08:00
Di,18.03.03
08:00
Di,25.03.03
08:00
Di,01.04.03
08:00
Di,08.04.03
08:00
Di,15.04.03
08:00
Di,22.04.03
08:00
Di,29.04.03
08:00
Zeit
Rad
onko
nzen
trat
ion
Bq/
m³
Radonsanierung eines o.ö. Kindergartens
54
www.ages.at
Österreichische Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit GmbH & Bundesamt für Ernährungssicherheit1220 Wien, Spargelfeldstrasse 191