Ionisierende Strahlung: Arten, Risiken, Folgen und Anwendungsbereiche

Was versteht man unter ionisierender Strahlung?

Als ionisierende Strahlung wird in der Wissenschaft elektromagnetische oder Teilchenstrahlung bezeichnet. Sie ist in der Lage, aus Atomen oder Molekülen Elektronen zu entfernen. Im Zuge dessen entstehen positiv geladene Ionen oder Molekülreste. Dieser Prozess wird auch als Ionisation bezeichnet. Bei ionisierender Strahlung handelt es sich umgangssprachlich um Radioaktivität.

Sobald ionische Strahlen durch Materie wie beispielsweise Zellen in einem Organismus gelangen, wird Energie abgegeben. Dadurch kann es zum Teil zu schweren Schäden kommen.

Wo kommt ionisierende Strahlung vor?

Ionisierende Strahlung kommt einerseits in der Natur vor. Andererseits kann man die Strahlung technisch erzeugen. Radioaktive Stoffe kommen beispielsweise in Gesteinen oder im Boden vor und sind Teil der Erdkruste. Für die medizinische Forschung und Technik und durch Nutzung der Atomenergie verwendet man gezielt radioaktive Stoffe, die man künstlich herstellt.

Ionisierende Strahlung wird in der Industrie beispielsweise zur Messung von Ablagerungen oder zur Bestimmung verschiedener Materialparameter, wie Dichte, Feuchte und Dicke verwendet. Der Anwendungsbereich der Strahlung ist vielseitig.

Welche Arten von ionisierender Strahlung gibt es?

Insgesamt gibt es fünf Kategorien von ionisierender Strahlung, die wir im Folgenden nennen und erläutern.

1. Alphastrahlung als ionisierende Strahlung

Alphastrahlen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Demnach ist Alphastrahlung eine Teilchenstrahlung, die sich durch eine geringe Reichweite auszeichnet. In der Luft sind es nur wenige Zentimeter und im Wasser weniger als ein Millimeter.

Alphastrahlen kann man bereits durch ein Blatt Papier abschirmen. Obwohl sie nur in die äußeren Hautschichten des Menschen gelangen, können sie zu einer erheblichen Strahlenbelastung führen. Durch die Luft und die Nahrung gelangen die Alphastrahlen in den Körper. Da die Alphateilchen auf einer sehr kurzen Distanz die Energie abgeben, schädigen sie das Gewebe besonders stark.

2. Betastrahlung als ionisierende Strahlung

Genau wie die Alphastrahlen gehören Betastrahlen zu den Teilchenstrahlen. Die Strahlung entsteht, wenn ein Atomkern in Elektronen und Positronen zerfällt – in negativ und positiv aufgeladene Teilchen. Im Gegensatz zur Alphastrahlung haben Betastrahlen eine größere Reichweite. Das Durchdringungsvermögen in der Luft beträgt einige Zentimeter bis Meter. Im Weichteilgewebe oder Kunststoff sind es wenige Millimeter bis Zentimeter.

Betastrahlung kann man durch ein wenige Millimeter dickes Aluminiumblech abwehren. Allerdings kann die Strahlung zu schweren Schäden des menschlichen Gewebes führen, wenn sie mit der Luft oder mit der Nahrung aufgenommen wird. Im Gegensatz zu Alphastrahlen geben die Betateilchen jedoch weniger Energie ab.

3. Neutronenstrahlung als ionisierende Strahlung

Neutronenstrahlung besteht aus ungeladenen Teilchen (Neutronen), die bei einer Kernspaltung freigesetzt werden. Diese Spaltung ist bei Atomkernen charakteristisch. Das hohe Durchdringungsvermögen ist ein weiteres Merkmal der Neutronenstrahlung. Aus diesem Grund ist auch die Abschirmung der Strahlung aufwendig. Zum Auffangen der Strahlen verwendet man Materialien mit einem hohen Wasserstoffanteil. Beispiele hierfür sind Polyethylen und Wasser. Die abgebremsten Neutronen sind mit Stoffen wie Bor oder Cadmium einzufangen. Die parallel dazu freiwerdende Gammastrahlung sind mit Blei abzuschirmen.

Kennzeichnend für Neutronenstrahlung ist die starke Wechselwirksamkeit mit biologischem Gewebe.

4. Gammastrahlung als ionisierende Strahlung

Bei der Gammastrahlung sind es elektromagnetische Wellen, die Energie transportieren. Gammastrahlung wird anhand der Frequenz der Wellen beschrieben. Je höher die Frequenz und je kürzer die Wellenlänge ist, desto energiereicher ist die Strahlung.

Wenn radioaktive Atome im Atomkern zerfallen, entsteht Gammastrahlung – neben der Entstehung von Alpha- und Betastrahlen. Charakteristisch für die Strahlenart ist, dass sie Materie leicht durchdringt. Mit Blei oder Beton kann die Strahlung abgeschirmt werden. Es gilt allerdings als sehr aufwendig.

Aufgrund der hohen Reichweite dringt Gammastrahlung tief ins Gewebe von Lebewesen ein und ist für diese äußerst schädlich.

5. Röntgenstrahlung als ionisierende Strahlung

Die elektromagnetische Strahlung ist das bekannteste Beispiel ionisierender Strahlung. In einer sogenannten Röntgenröhre wird die Strahlung künstlich erzeugt und die Elektronen beschleunigt. Je höher die Spannung für die Beschleunigung ist, desto kurzweiliger und energiereicher ist die Strahlung. Wenn das Röntgengerät abgeschaltet ist, wird keine Strahlung erzeugt.

In der Medizin findet die Röntgenstrahlung am häufigsten Anwendung. Mit Blei kann man die Strahlung vom Gewebe abschirmen.

Anwendungsbereiche: Wo wird ionisierende Strahlung eingesetzt?

Ionisierende Strahlung findet auf verschiedene Weise Anwendung. Der bekannteste Anwendungsbereich ist die Medizintechnik. Nicht nur in der Medizin kommt die ionisierende Strahlung zur Anwendung, sondern auch im Alltag.

Ionisierende Strahlen in der Röntgentechnik

Die Röntgendiagnostik ist hierbei das bekannteste Beispiel. Hier unterscheidet man drei Verfahren, die wir nachfolgend näher vorstellen.

Röntgenaufnahme: Das Röntgenverfahren geht mit einer sehr niedrigen Strahlenexposition einher. Für einen Sekundenbruchteil wird die Strahlung auf das entsprechende Körperteil gerichtet, das zu untersuchen ist. Zu Hilfe kommt ein digitaler Detektor, der die körperdurchdringende Strahlung sichtbar macht. Charakteristisch für die Röntgenaufnahme ist, dass sich Knochen beispielsweise hell darstellen. Das umliegende Gewebe (Fettgewebe) bleibt dagegen auf den Aufnahmen dunkel. Weichteilgewebe, wie beispielsweise Knorpel, macht sich bei Röntgenaufnahmen in verschiedenen Grautönen bemerkbar.

Röntgendurchleuchtung: Dieses Verfahren im Rahmen der Röntgendiagnostik wird bei der Analyse von Bewegungsvorgängen im Körper angewandt. Beispiele hierfür sind Schluck- und Herzbewegungen. Darüber hinaus hat sich die Röntgendurchleuchtung bei der Beobachtung des Magen-Darm-Traktes bewährt. Hierfür ist das Verfahren der Röntgendurchleuchtung in zahlreichen Fällen sogar notwendig. Bei der Röntgendurchleuchtung durchdringen die Röntgenstrahlen den Körper und erzeugen auf einem Leuchtschirm eine Bildserie, die mittels elektronischer Bildverstärkung auf einem Monitor übertragen und dort betrachtet wird.

Zum Verfahren der Röntgendurchleuchtung gehört die Angiographie. Hierbei wird den Patienten ein Kontrastmittel verabreicht, um Gefäße sichtbar zu machen. Diese lassen sich ohne dieses Mittel nicht erkennen. Durch das Verfahren der Angiographie mittels Röntgendurchleuchtung kann man gleichzeitig die Gefäße erweitern. Somit dient es nicht nur der Diagnostik, sondern auch der Behandlung. Bei einer Röntgendurchleuchtung ist die Strahlenbelastung für die Patienten deutlich höher als bei einer Röntgenaufnahme.

Computertomographie: Die Computertomographie (CT) ist ein Verfahren innerhalb der Röntgendiagnostik. Hierbei fahren ein Röntgenstrahler und ein Strahlendetektor um den Körper des Patienten und erzeugen zahlreiche Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Richtungen. Bei der CT erzeugt man Bilder, bei denen sich das Gewebe des Köpers kontrastreich darstellt. Genau wie bei der Röntgendurchleuchtung ist die Strahlenbelastung bei der Computertomographie für den Patienten um ein Vielfaches höher als bei einer Röntgenaufnahme.

Ein anderes tomographisches Verfahren innerhalb der Röntgendiagnostik ist die digitale Volumentomographie (DVT). Der Anwendungsbereich der DVT liegt beispielsweise in der Zahnmedizin oder in der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde.

Ionisierende Strahlung in Uhren

Damit die Ziffernblätter auch im Dunkeln erkennbar sind, werden lumineszierende Farben verwendet. Eine radioaktive Substanz bringt diese zum Leuchten. Seit einigen Jahren werden Tritium-Gaslichtquellen verwendet. Die Strahlenbelastung ist in der Regel gering und liegt unter 0,1 Mikrosievert (µSv) pro Jahr.

Die Tritium-Gaslichtquellen sind mit Tritiumgas gefüllte Glasröhrchen. Die Innenseite dieser Röhrchen sind mit einer speziellen phosphoreszierenden Farbe beschichtet. Durch die Betastrahlung des Tritiums wird diese Farbe zum Leuchten gebracht.

Da Uhren, speziell Armbanduhren, Konsumgüter sind, in denen radioaktive Stoffe enthalten sind, unterliegen sie den Vorschriften der Strahlenschutzverordnung (StrlSchV). Nach Paragraph 106 wird eine  Genehmigung nur dann erteilt, wenn die erlaubte Obergrenze an Radioaktivität nicht überschritten wird.

Ionisierende Strahlung bei Sicherheitskontrollen am Flughafen

Wer mit dem Flugzeug reist, muss zunächst inklusive seines Gepäckes durch die Sicherheitskontrolle am Flughafen.

Beim Durchleuchten des Handgepäcks kommen Röntgengeräte zum Einsatz. Die gesetzliche Grundlage für den Sicherheitscheck mit Röntgenstrahlung ist das Luftsicherheitsgesetz (LuftSiG). Das Gesetz setzt die Verordnung 300/2008 in Verbindung mit 185/2010 der Europäischen Union für die Sicherheit in der Zivilluftfahrt in nationales Recht um.

Die verwendeten Geräte sind regelmäßig zu warten und zu prüfen. Bei diesen Prüfungen ist nachzuweisen, dass der jährliche Grenzwert für eine Person nicht überschritten wird. Vor dem Hintergrund, dass auch Schwangere und Kinder die Sicherheitskontrolle durchschreiten, ist der Grenzwert in jedem Fall einzuhalten. Der Grenzwert im Strahlenschutz liegt bei 1 Millisievert und ist in der Röntgenverordnung festgeschrieben.

Ionisierende Strahlung in Rauchmeldern

In allen 16 Bundesländern Deutschlands sind Rauchmelder Pflicht. Dies gilt sowohl für Neubauten als auch für Bestandsbauten. Für diese Ionisationsrauchmelder (IRM) verwendet man radioaktive Stoffe. Hier ist vorwiegend Americium-241 mit Aktivitäten von 15 bis 40 Kilobecquerel. In der Regel wird der radioaktive Stoff auf eine der Trägerschichten aufgetragen.

Es ist eine Strahlerfolie, die durch Halterungen innerhalb des IRM-Gehäuses fest montiert wird. Von der Folie geht Strahlung aus, die in dem IRM befindliche Luft ionisierend. Durch elektrische Spannung wird ein Ionisationsstrom erzeugt.

Welche Wirkungen haben ionisierende Strahlen auf die Gesundheit?

Inwieweit ionisierende Strahlung gesundheitsschädigend ist, hängt im Wesentlichen vom Typ selbst ab sowie von der Energie der Strahlung. Fakt ist: Hohe Dosen ionisierender Strahlung können das Gewebe dauerhaft schädigen.

Strahlenschäden werden in zwei Kategorien unterteilt: deterministische und stochastische Strahlenschäden. Diese Unterscheidung basiert auf den Dosis-Wirkungs-Beziehungen und den Mechanismen, die den Schäden zugrunde liegen.

Der gesetzliche Strahlenschutz hat das Ziel, mit Hilfe von Grenzwerten der Strahlendosis deterministische Strahlenwirkungen zuverlässig zu verhindern. Das Risiko für stochastische Wirkungen sollte man über entsprechende Vorgaben so gering wie möglich halten.

Welche Vorschriften für ionisierende Strahlung gibt es?

Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist in der StrlSchV detailliert geregelt. Sowohl der private als auch der berufliche Schutz der Bevölkerung regelt man mit den Vorschriften. Kapitel 1 definiert der Begriff „Arbeiten“, also den Umgang mit natürlichen radioaktiven Stoffen. In Anlage XI der Verordnung nennt man bestimmte Arbeiten, bei denen eine erhöhte Strahlenexposition auftreten können.

Grundsätzlich soll man laut Verordnung die Strahlenbelastung am Arbeitsplatz so gering wie möglich halten. Gemäß § 94 der StrlSchV sind Vorsorgen zu treffen und Maßnahmen durchzuführen, um einen Anstieg der Exposition zu vermeiden.

Welche Vorgaben gibt das aktuelle Strahlenschutzgesetz vor?

Am 31. Dezember 2018 ist das bereits 2017 beschlossene Strahlenschutzgesetz (StrlSchG) sowie die neue Strahlenschutzverordnung für den Strahlenschutz in Kraft getreten. Obwohl viele Punkte übernommen wurden, sieht das neue StrlSchG Änderungen vor.

So hat gemäß § 19 StrlSchG der Betrieb einer Röntgenanlage spätestens vier Wochen vor dem beabsichtigten Beginn der zuständigen Behörde schriftlich mitzuteilen. Nach der alten Regelung waren es zwei Wochen.

Darüber hinaus ist die Bestellung eines Strahlenschutzbeauftragten dann erforderlich, soweit dies für die Tätigkeit notwendig ist. Obwohl es naheliegt, dass dies beispielsweise in Zahnarztpraxen der Fall ist, sieht man auf Grundlage des StrlSchG dort keine Notwendigkeit eines Strahlenschutzbeauftragen. Sowohl der Praxisinhaber als auch alle angestellten Zahnärzte seien fachkundig im Umgang mit Röntgenstrahlung.

Stellt man in einem Betrieb ein Strahlenschutzbeauftragter, ist er fortan bis zu einem Jahr nach der Beendigung nur dann kündbar, wenn außerordentliche Gründe für eine Kündigung vorliegen.

Die wichtigsten Änderungen des neuen Strahlenschutzgesetzes

• Konstanzprüfungen (§ 116) Die Abstände der Prüfungen präzisiert man in der neuen Verordnung nicht mehr.
• Aufzeichnungen (§ 117) Diese betreffen die Abnahme. Die Aufzeichnungen darüber sind für die Dauer des Betriebs, mindestens jedoch drei Jahre nach dem Abschluss der Prüfung, aufzubewahren. Vorher waren es zwei Jahre.
• Exposition von Betreuungs- und Begleitpersonen (§ 122 und § 124) Der Strahlenschutzverantwortliche hat dafür zu sorgen, dass man einen Leitfaden für den Strahlenschutz von Betreuungs- und Begleitpersonen erstellt. Vor dem Betreten des entsprechenden Bereichs muss der Strahlenschutzbeauftragte die Personen über mögliche Gefahren der Exposition aufklären.
• Aufsichtsprogramm (§ 149)

Die zuständige Behörde hat durch das neue Strahlenschutzgesetz das Recht, Vor-Ort-Prüfungen vorzunehmen – dies vor allem bei zahnärztlichen Röntgeneinrichtungen. Bei DVT-Geräten erfolgen diese Vor-Ort-Prüfungen voraussichtlich in Zeitabständen von sechs Jahren.

Eine weitere Neuregelung des StrlSchG: Die Verpflichtung zum Bereithalten und Führen eines Röntgenpasses entfällt.

Zudem ist die Nutzung durch mehrere Strahlenschutzverantwortliche in § 44 und § 188 neu geregelt. Demnach müssen mehrere Strahlenschutzverantwortliche, die eine Röntgeneinrichtung eigenverantwortlich nutzen, ihre Pflichten vertraglich voneinander abgrenzen.

Der Vertrag ist der zuständigen Behörde vorzulegen. Für Röntgeneinrichtungen, die bereits vor dem 31. Dezember 2018 von mehreren Strahlenschutzbeauftragten betrieben wurden, ist der Vertrag bis zum 31. Dezember 2019 abzuschließen.

Was sind die drei Grundsätze des ionisierenden Strahlenschutzes?

Um das Risiko für stochastische Schäden durch ionisierende Strahlung gemäß StrlSchV so gering wie möglich zu halten, wurden im Strahlenschutz drei allgemeine Grundsätze für den Umgang mit ionisierender Strahlung festgelegt. Die in medizinischen Anwendungen vorhandene Röntgenstrahlung wird in den folgenden Darstellungen nicht berücksichtigt.

Die Grundsätze, die auf wissenschaftlichen Fakten und den Vorgaben der EU (Richtlinie 2013/59/Euratom) basieren, konzentrieren sich auf diese drei Gebote:

• Rechtfertigung
• Dosisbegrenzung
• Optimierung

Was bedeutet das Gebot der Rechtfertigung im Strahlenschutz?

Es darf keine neue Anwendung ionisierender Strahlung oder keine neue Verwendung radioaktiver Stoffe durch den Menschen erfolgen, ohne dass dies durch nachvollziehbare Gründe gerechtfertigt wäre.

Das Rechtfertigungsgebot umfasst außerdem

• Menschen, die durch eine neue berufliche Tätigkeit einer bestehenden Strahlenexposition ausgesetzt sind, z. B. der kosmischen Höhenstrahlung bei Flügen oder Strahlung durch Radon im Bergbau oder in Wasserwerken
• die Forderung, bestehende Tätigkeiten regelmäßig anhand neuer Erkenntnisse kritisch zu prüfen
• die Ausnahme, Beschäftigte einer Strahlung auszusetzen, wenn der Nutzen der Tätigkeit für die Gesellschaft den durch die Tätigkeit potenziell verursachten gesundheitlichen Schäden überwiegt.

Dass die Rechtfertigung in der Praxis oft schwerfällt, liegt auf der Hand. Denn weder Nutzen noch mögliche Gesundheitsschäden kann man in jedem Fall objektiv bestimmen. Deshalb ist das Gebot der Rechtfertigung eine erste große Hürde für betreffende neue Tätigkeiten und fordert eine schlüssige Argumentation seitens des Unternehmens.

Was bedeutet das Gebot der Dosisbegrenzung?

Auch wenn Tätigkeiten, die zu Strahlenbelastung führen, gerechtfertigt sind, müssen die Strahlendosierungen bestimmte Grenzwerte der Strahlenbelastung einhalten. Diese Grenzwerte sind für berufliche Tätigkeiten und die allgemeine Bevölkerung unterschiedlich definiert.

Die Grenzwerte für die Bevölkerung geben vor, in welcher maximalen Menge Einzelpersonen während ihrer Tätigkeit (beispielsweise durch den Betrieb eines Kernkraftwerks) mit Strahlung belastet werden dürfen.

Dabei unterscheidet der Gesetzgeber unterschiedliche Belastungspfade bzw. Einwirkungsmöglichkeiten der Strahlung:

• Einatmen (Inhalation)
• Aufnahme mit der Nahrung (Ingestion) oder
• die Umgebungsstrahlung

Die Dosisbegrenzung berücksichtigt dabei alle möglichen Belastungspfade und fasst die einzelnen Grenzwerte nach wissenschaftlichen Bedingungen zusammen.

Für die beruflich bedingte Strahlenexposition hingegen bestimmt man die Grenzwerte noch detaillierter und nach unterschiedlichen Dimensionen.

In diesen Fällen berücksichtigt die Dosisbegrenzung

• die Strahlungseinwirkung auf den ganzen Körper und zusätzlich für Körperorgane
• verschiedene Zeitabschnitte (Monat, Jahr, Berufsleben) und
• verschiedene Personengruppen wie Jugendliche, Erwachsene, Frauen in gebärfähigem Alter und Schwangere

Was bedeutet das Gebot der Optimierung im Strahlenschutz?

Das Gebot der Optimierung fordert eine fortlaufende Berücksichtigung des Standes von Wissenschaft und Forschung. Somit können die bestehenden Strahlenschutzmaßnahmen kontinuierlich verbessert werden, um eine Strahlenbelastung und Kontamination besser zu vermindern und zu vermeiden.

Jede Maßnahme, die auf Basis des aktuellen technischen Erkenntnisstands sowie aller relevanten wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Faktoren machbar ist, ist umzusetzen, um

• die Wahrscheinlichkeit einer Exposition,
• die Anzahl der gefährdeten Personen sowie
• die auf eine Person einwirkende individuelle Dosis

so niedrig zu halten, wie es vernünftigerweise erreichbar ist.

Die Folgen der drei Gebote des Strahlenschutzes

Die drei Gebote des Strahlenschutzes zeigen, dass der Gesetzgeber eine Unbedenklichkeit ionisierender Strahlen nicht vorgesehen hat. Auch wenn Sie alle Gebote pflichtbewusst einhalten, bleibt meist doch eine Restdosis an Strahlung, die in jedem Fall gesundheitliche Risiken mit sich bringt. Das bedeutet konkret: Jede Strahlung ist mit einer potenziellen Beeinträchtigung der Gesundheit verbunden, die allerdings mit abnehmender Dosis ebenfalls geringer wird.

Dieses Prinzip führt zu einer erfreulichen Entwicklung: Denn in der Praxis lässt sich zunehmend beobachten, dass die auftretenden Strahlenbelastungen in nahezu allen gemessenen Fällen weit unter den gesetzlich festgelegten Grenzwerten.

Wie reduzieren Sie ionisierende Strahlung im Alltag?

Bereits mit kleinen Maßnahmen kann die tägliche Strahlendosis gezielt minimiert werden. Dafür sollten folgende Maßnahmen ergriffen werden:

Das Handy sollte nachts aus dem Schlafzimmer verbannt und sogar ausgeschaltet werden. Zudem muss es nicht immer ein digitaler Wecker mit zahlreichen Extrafunktionen sein. Ein herkömmlicher, analoger Wecker verrichtet genauso zuverlässig seinen Dienst.

Darüber hinaus sollten man technische Geräte tagsüber vom Strom trennen, wenn niemand zu Hause ist. Das Gleiche gilt für die Nacht. Elektrogeräte, wie moderne Kaffeeautomaten geben Strahlung ab.

Nichtionisierende Strahlung: Herkunft, Risiken und Schutzmaßnahmen

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