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Erste Untersuchungen zur Unsicherheit der ortsabhängigen Nachweiswahrscheinlichkeit des PTB-Nanodosimeters

19.12.2016

Ein wesentliches Charakteristikum des in der PTB betriebenen Nanodosimeters ist die Ortsabhängigkeit der Nachweiswahrscheinlichkeit für die ionisierten Gasmoleküle des Targetgases. Die räumliche Verteilung der Nachweiswahrscheinlichkeit definiert das Zielvolumen und ist das Resultat eines komplexen Zusammenspiels verschiedener Faktoren, nämlich dem Verlauf der elektrischen Feldlinien im Bereich der Extraktionsblende, den Transporteigenschaften der ionisierten Gasmoleküle entlang des elektrischen Feldes durch das neutrale Gas in der Wechselwirkungszone, und der Gasdichte und den Strömungsverhältnissen in der Umgebung der Extraktionsblende sowie den Betriebsparametern der Transportoptik und des Detektors für die ionisierten Gasmoleküle.

Zur experimentellen Bestimmung der räumlichen Verteilung der Nachweiswahrscheinlichkeit wird als Detektor für die Primärionen, der zur Triggerung der Datenerfassung dient, ein positionsempfindlicher Flächendetektor eingesetzt, der die Auftreffkoordinaten eines jeden Primärteilchen auf dem Detektor in zwei Dimensionen individuell erfasst. Damit können die Häufigkeitsverteilungen von Ionisationsclustern in Abhängigkeit von der Lage der Teilchenspur relativ zum Zielvolumen in zwei Dimensionen erfasst werden. Zur Ermittlung ihrer Unsicherheit wurde die Abhängigkeit der räumlichen Verteilung der Nachweiswahrscheinlichkeit von den oben genannten Parametern systematisch mit Messungen untersucht. Bild 1 zeigt als Beispiele zwei Messungen der mittleren Ionisationsclustergröße M1(dh) in Abhängigkeit von der Auftreffposition der Primärteilchen auf dem Detektor, gemessen mit Alphateilchen aus einer 241Am-Quelle in 1,14 mbar C3H8 (links) und in 1,26 mbar C3H8 (rechts), jeweils korrigiert auf einen Druck von 1,2 mbar C3H8. Das Zentrum des Detektors (h = 0 mm, d = 0 mm) fällt zusammen mit der zentralen Achse der Extraktionsblende (d = 0 mm) und der nominellen Höhe des Primärstrahls über der Extraktionsblende (h = 0 mm). Die Größe d bezeichnet den waagerechten Abstand von der Achse der Extraktionsblende, h den vertikalen Abstand von der nominellen Strahlhöhe. Der Wert der mittleren Clustergröße M1(dh) spiegelt die Größe der Nachweiswahrscheinlichkeit an der jeweiligen Position wider und bildet damit das Zielvolumen ab. Die Verteilung der Nachweiswahrscheinlichkeit ist in beiden Messungen von gleicher Form: sie ist maximal auf der Achse der Extraktionsblende und fällt zu den Seiten hin steil ab, und sie fällt, jedoch weit weniger steil, mit steigendem Abstand zur Extraktionsblende. Allerdings unterscheiden sich die beiden Messungen in den Werten für M1(dh): bei einem Druck von 1,26 mbar sind die gemessenen mittleren Clustergrößen insgesamt größer als bei 1,14 mbar, was insbesondere entlang der zentralen Achse der Extraktionsblende (d = 0 mm) zu sehen ist.

Bild 1: Mittlere Ionisationsclustergröße M1(dh) in Abhängigkeit von der Auftreffposition der Primärteilchen auf dem Detektor, gemessen mit Alphateilchen aus einer 241Am-Quelle in 1,14 mbar C3H8 (links) und in 1,26 mbar C3H8 (rechts), jeweils korrigiert auf einen Druck von 1,2 mbar C3H8.