Gray
| Gray ⓘ | |
|---|---|
| Einheitensystem | Abgeleitete SI-Einheit |
| Einheit von | Absorbierte Dosis ionisierender Strahlung |
| Symbol | Gy |
| Benannt nach | Louis Harold Gray |
| Umrechnungen | |
| 1 Gy in ... | ... ist gleich ... |
| SI-Basiseinheiten | m2⋅s-2 |
| Von der Masse absorbierte Energie | J⋅kg-1 |
| CGS-Einheiten (Nicht-SI) | 100 rad |
Das Gray (Symbol: Gy) ist eine abgeleitete Einheit für die Dosis ionisierender Strahlung im Internationalen Einheitensystem (SI). Sie ist definiert als die Absorption von einem Joule Strahlungsenergie pro Kilogramm Materie. ⓘ
Sie wird als Einheit der Strahlungs-Energiedosis verwendet, die die durch ionisierende Strahlung in einer Einheitsmasse bestrahlter Materie deponierte Energie misst, und dient zur Messung der abgegebenen Dosis ionisierender Strahlung bei Anwendungen wie Strahlentherapie, Lebensmittelbestrahlung und Strahlensterilisation sowie zur Vorhersage wahrscheinlicher akuter Wirkungen wie dem akuten Strahlensyndrom im Strahlenschutz. Als Maß für niedrige Werte der absorbierten Dosis bildet es auch die Grundlage für die Berechnung der Strahlenschutzeinheit Sievert, die ein Maß für die gesundheitlichen Auswirkungen geringer Mengen ionisierender Strahlung auf den menschlichen Körper ist. ⓘ
Das Gray wird auch in der Strahlenmesstechnik als Einheit der Strahlungsgröße Kerma verwendet, die definiert ist als die Summe der anfänglichen kinetischen Energien aller geladenen Teilchen, die durch ungeladene ionisierende Strahlung in einer Materieprobe pro Masseneinheit freigesetzt werden. Das Gray ist eine wichtige Einheit bei der Messung ionisierender Strahlung und wurde nach dem britischen Physiker Louis Harold Gray benannt, einem Pionier auf dem Gebiet der Messung von Röntgen- und Radiumstrahlung und deren Auswirkungen auf lebendes Gewebe. ⓘ
Das Gray wurde 1975 in das Internationale Einheitensystem aufgenommen. Die dem Gray entsprechende cgs-Einheit ist das rad (entspricht 0,01 Gy), das in den Vereinigten Staaten nach wie vor gebräuchlich ist, auch wenn der Style Guide des U.S. National Institute of Standards and Technology davon dringend abrät". ⓘ
Anwendungen
Das Gray hat eine Reihe von Anwendungsgebieten für die Messung der Dosis: ⓘ
Radiobiologie
Die Messung der Energiedosis im Gewebe ist in der Strahlenbiologie und Strahlentherapie von grundlegender Bedeutung, da sie das Maß für die Energiemenge ist, die die einfallende Strahlung im Zielgewebe deponiert. Die Messung der Energiedosis ist aufgrund von Streuung und Absorption ein komplexes Problem. Für diese Messungen gibt es viele spezialisierte Dosimeter, die Anwendungen in 1-D, 2-D und 3-D abdecken können. ⓘ
Bei der Strahlentherapie variiert die Strahlendosis je nach Art und Stadium des zu behandelnden Krebses. In kurativen Fällen liegt die typische Dosis für einen soliden Epitheltumor zwischen 60 und 80 Gy, während Lymphome mit 20 bis 40 Gy behandelt werden. Die präventiven (adjuvanten) Dosen liegen in der Regel bei 45-60 Gy in 1,8-2 Gy-Fraktionen (für Brust-, Kopf- und Halskrebs). ⓘ
Die durchschnittliche Strahlendosis einer abdominalen Röntgenaufnahme beträgt 0,7 Millisievert (0,0007 Sv), die einer abdominalen CT-Untersuchung 8 mSv, die einer CT-Untersuchung des Beckens 6 mGy und die einer selektiven CT-Untersuchung des Abdomens und des Beckens 14 mGy. ⓘ
Strahlenschutz
Die Energiedosis spielt auch im Strahlenschutz eine wichtige Rolle, denn sie ist der Ausgangspunkt für die Berechnung des stochastischen Gesundheitsrisikos niedriger Strahlungsmengen, das als Wahrscheinlichkeit der Krebsentstehung und genetischer Schäden definiert ist. Das Gray misst die gesamte absorbierte Energie der Strahlung, aber die Wahrscheinlichkeit stochastischer Schäden hängt auch von der Art und Energie der Strahlung und der Art der betroffenen Gewebe ab. Diese Wahrscheinlichkeit wird mit der Äquivalentdosis in Sievert (Sv) in Beziehung gesetzt, die die gleichen Dimensionen hat wie die Grauzone. Sie wird durch Gewichtungsfaktoren, die in den Artikeln über die Äquivalentdosis und die effektive Dosis beschrieben sind, auf die Gray-Dosis bezogen. ⓘ
Das Internationale Komitee für Maße und Gewichte erklärt: "Um jede Verwechslungsgefahr zwischen der Energiedosis D und der Äquivalentdosis H zu vermeiden, sollten die speziellen Bezeichnungen für die jeweiligen Einheiten verwendet werden, d. h. für die Einheit der Energiedosis D sollte die Bezeichnung Grau anstelle von Joule pro Kilogramm und für die Einheit der Äquivalentdosis H die Bezeichnung Sievert anstelle von Joule pro Kilogramm verwendet werden." ⓘ
Die beigefügten Diagramme zeigen, wie die Energiedosis (in Grautönen) zunächst rechnerisch ermittelt wird und daraus die Äquivalentdosen abgeleitet werden. Für Röntgen- und Gammastrahlen ist der Gray-Wert numerisch gleich, wenn er in Sievert ausgedrückt wird, aber für Alphateilchen entspricht ein Gray 20 Sievert, und ein Strahlungsgewichtungsfaktor wird entsprechend angewendet. ⓘ
Strahlenvergiftung
Strahlenvergiftung: Der Grauwert wird üblicherweise verwendet, um die Schwere der so genannten "Gewebewirkungen" von Dosen auszudrücken, die bei einer akuten Exposition gegenüber hohen Mengen ionisierender Strahlung aufgenommen wurden. Dabei handelt es sich um Wirkungen, die mit Sicherheit eintreten, im Gegensatz zu den ungewissen Wirkungen niedriger Strahlungsmengen, bei denen die Wahrscheinlichkeit besteht, dass sie Schäden verursachen. Eine akute Ganzkörperexposition mit 5 Gray oder mehr hochenergetischer Strahlung führt in der Regel innerhalb von 14 Tagen zum Tod. LD1 ist 2,5 Gy, LD50 ist 5 Gy und LD99 ist 8 Gy. Die LD50-Dosis entspricht 375 Joule für einen 75 kg schweren Erwachsenen. ⓘ
Absorbierte Dosis in Materie
Das Gray wird zur Messung der Energiedosisleistung in Nicht-Gewebe-Materialien für Verfahren wie Strahlenhärtung, Lebensmittelbestrahlung und Elektronenbestrahlung verwendet. Die Messung und Kontrolle des Wertes der absorbierten Dosis ist für den korrekten Betrieb dieser Prozesse von entscheidender Bedeutung. ⓘ
Kerma
Kerma ("kinetische Energie, die pro Masseneinheit freigesetzt wird") wird in der Strahlenmetrologie als Maß für die durch die Bestrahlung freigesetzte Ionisierungsenergie verwendet und in Gray ausgedrückt. Wichtig ist, dass sich die Kerma-Dosis je nach Strahlungsenergie von der Energiedosis unterscheidet, zum Teil weil die Ionisierungsenergie nicht berücksichtigt wird. Während die Kerma-Dosis bei niedrigen Energien ungefähr gleich ist, ist sie bei höheren Energien viel höher als die Energiedosis, da ein Teil der Energie in Form von Bremsstrahlung (Röntgenstrahlung) oder schnell fliegenden Elektronen aus dem absorbierenden Volumen entweicht. ⓘ
Kerma ist, wenn es auf Luft angewendet wird, äquivalent zur alten Röntgeneinheit der Strahlenbelastung, aber es gibt einen Unterschied in der Definition dieser beiden Einheiten. Die Kerma ist unabhängig von jeglichem Zielmaterial definiert, während das Röntgen speziell durch die Ionisierungswirkung in trockener Luft definiert wurde, die nicht unbedingt die Wirkung auf andere Medien repräsentiert. ⓘ
Entwicklung des Konzepts der absorbierten Dosis und der Gray-Einheit
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Wilhelm Röntgen entdeckte die Röntgenstrahlen erstmals am 8. November 1895, und ihre Verwendung verbreitete sich sehr schnell in der medizinischen Diagnostik, insbesondere bei Knochenbrüchen und eingebetteten Fremdkörpern, wo sie eine revolutionäre Verbesserung gegenüber früheren Techniken darstellten. ⓘ
Aufgrund des breiten Einsatzes von Röntgenstrahlen und der zunehmenden Erkenntnis der Gefahren ionisierender Strahlung wurden Messstandards für die Strahlungsintensität erforderlich, und verschiedene Länder entwickelten ihre eigenen Standards, wobei sie jedoch unterschiedliche Definitionen und Methoden verwendeten. Um die internationale Standardisierung zu fördern, schlug der erste Internationale Kongress für Radiologie (ICR), der 1925 in London stattfand, schließlich ein eigenes Gremium vor, das sich mit Maßeinheiten befassen sollte. Dieses Gremium, die International Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU), wurde 1928 auf dem zweiten ICR in Stockholm unter dem Vorsitz von Manne Siegbahn ins Leben gerufen. ⓘ
Eine der ersten Techniken zur Messung der Intensität von Röntgenstrahlen war die Messung ihrer ionisierenden Wirkung in Luft mit Hilfe einer luftgefüllten Ionenkammer. Auf der ersten ICRU-Tagung wurde vorgeschlagen, eine Einheit der Röntgendosis als die Menge an Röntgenstrahlen zu definieren, die in einem Kubikzentimeter trockener Luft bei 0 °C und einer Standardatmosphäre eine esu-Ladung erzeugen würde. Diese Einheit der Strahlenbelastung wurde zu Ehren von Wilhelm Röntgen, der fünf Jahre zuvor gestorben war, Röntgen genannt. Auf der ICRU-Sitzung von 1937 wurde diese Definition auf Gammastrahlung ausgedehnt. Dieser Ansatz war zwar ein großer Fortschritt bei der Standardisierung, hatte aber den Nachteil, dass er kein direktes Maß für die Absorption der Strahlung und damit für den Ionisierungseffekt in verschiedenen Arten von Materie, einschließlich des menschlichen Gewebes, darstellte und nur die Wirkung der Röntgenstrahlen unter bestimmten Umständen, nämlich dem Ionisierungseffekt in trockener Luft, maß. ⓘ
1940 veröffentlichte Louis Harold Gray, der zusammen mit William Valentine Mayneord und dem Strahlenbiologen John Read die Auswirkungen von Neutronenschäden auf menschliches Gewebe untersuchte, eine Arbeit, in der eine neue Maßeinheit, das "Gramm Röntgen" (Symbol: gr), vorgeschlagen und definiert wurde als "die Menge an Neutronenstrahlung, die einen Energiezuwachs in einem Einheitsvolumen an Gewebe erzeugt, der dem Energiezuwachs entspricht, der in einem Einheitsvolumen an Wasser durch eine Röntgenstrahlung erzeugt wird". Diese Einheit entsprach 88 Ergs in Luft und machte die Energiedosis, wie sie später genannt wurde, von der Wechselwirkung der Strahlung mit dem bestrahlten Material abhängig und nicht nur von der Strahlungsexposition oder -intensität, für die das Röntgen angegeben wurde. Im Jahr 1953 empfahl die ICRU das rad, das 100 erg/g entsprach, als neue Maßeinheit für die absorbierte Strahlung. Das rad wurde in kohärenten cgs-Einheiten ausgedrückt. ⓘ
Ende der 1950er Jahre lud die CGPM die ICRU ein, gemeinsam mit anderen wissenschaftlichen Einrichtungen an der Entwicklung des Internationalen Einheitensystems (SI) zu arbeiten. Die CCU beschloss, die SI-Einheit der absorbierten Strahlung als Energie zu definieren, die von den reabsorbierten geladenen Teilchen pro Masseneinheit des absorbierenden Materials abgegeben wird, so wie das Rad definiert worden war, aber in MKS-Einheiten würde es dem Joule pro Kilogramm entsprechen. Dies wurde 1975 von der 15. CGPM bestätigt, und die Einheit wurde zu Ehren von Louis Harold Gray, der 1965 verstorben war, "gray" genannt. Das Gray entsprach somit 100 rad. Bemerkenswert ist, dass das Zentigray (das numerisch dem Rad entspricht) immer noch weit verbreitet ist, um die absolute absorbierte Dosis in der Strahlentherapie zu beschreiben. ⓘ
Die Annahme des Gray durch die 15. Generalkonferenz für Maß und Gewicht als Maßeinheit für die Absorption ionisierender Strahlung, die spezifische Energieabsorption und die Kerma im Jahr 1975 war der Höhepunkt von mehr als einem halben Jahrhundert Arbeit, sowohl beim Verständnis der Natur ionisierender Strahlung als auch bei der Schaffung kohärenter Strahlungsgrößen und -einheiten. ⓘ
Strahlungsbezogene Größen
Die folgende Tabelle zeigt Strahlungsgrößen in SI- und Nicht-SI-Einheiten. ⓘ
| Größe | Einheit | Symbol | Ableitung | Jahr | SI-Äquivalenz ⓘ |
|---|---|---|---|---|---|
| Aktivität (A) | Becquerel | Bq | s-1 | 1974 | SI-Einheit |
| Curie | Ci | 3.7 × 1010 s-1 | 1953 | 3,7 × 101010 Bq | |
| rutherford | Rd | 106 s-1 | 1946 | 1.000.000 Bq | |
| Exposition (X) | Coulomb pro Kilogramm | C/kg | C⋅kg-1 der Luft | 1974 | SI-Einheit |
| Röntgen | R | esu / 0,001293 g Luft | 1928 | 2,58 × 10-4 C/kg | |
| Absorbierte Dosis (D) | grau | Gy | J⋅kg-1 | 1974 | SI-Einheit |
| erg pro Gramm | erg/g | erg⋅g-1 | 1950 | 1,0 × 10-4 Gy | |
| rad | rad | 100 erg⋅g-1 | 1953 | 0,010 Gy | |
| Äquivalentdosis (H) | Sievert | Sv | J⋅kg-1 × WR | 1977 | SI-Einheit |
| Röntgen-Äquivalentmann | rem | 100 erg⋅g-1 x WR | 1971 | 0,010 Sv | |
| Effektive Dosis (E) | Sievert | Sv | J⋅kg-1 × WR × WT | 1977 | SI-Einheit |
| Röntgen-Äquivalentmann | rem | 100 erg⋅g-1 × WR × WT | 1971 | 0,010 Sv |
Bezug zu anderen Einheiten
Rad (veraltete Einheit)
Bis zum 31. Dezember 1985 war die offizielle Einheit der Energiedosis das rad (Einheitenzeichen rd).
