Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Konstruktion und Fertigung eines zylindrischen Wasserkalorimeters

Ansprechpartner: M. Müller, AG 5.511

Zur Bestimmung der Wasser-Energiedosis an klinischen Beschleunigern wurde ein neuartiges Wasserkalorimeter entwickelt, das Messungen unter praxisnahen Bestrahlungsbedingungen, z. B. überlagerte Strahlungsfelder aus unterschiedlichen Winkeln, und in der Folge die direkte Kalibrierung klinischer Dosimeter unter „planspezifischen“ Bedingungen ermöglicht.
Bild 1 zeigt einen derartigen klinischen Beschleuniger sowie ein CAD-Modell mit den möglichen Positionen des Beschleunigers und die Lage des zu entwickelnden zylindrischen Wasserkalorimeters. Mit herkömmlichen Wasserkalorimetern waren bisher nur Messungen in fest vorgegebener horizontaler Strahlrichtung möglich.

Bild 1: links: drehbarer, klinischer Beschleuniger mit Patientenliege im Vordergrund
          rechts: CAD-Modell des Kalorimeters sowie unterschiedliche Winkellagen des Beschleunigers

Das Kalorimeter besteht aus dem eigentlichen Wasserphantom im Inneren, welches aus einem runden PMMA-Rohr besteht, einer Isolierung und einem Schwenklager, das eine 90°-Kippung in  die Vertikale ermöglicht. Der Detektor im Innern des mit Wasser gefüllten  PMMA-Rohres kann auf einem Arm mittig befestigt werden, wobei auch exzentrische Lagen bis 60 mm außerhalb des Isozentrums möglich sind. Der gesamte Aufbau ist auf einem fahrbaren Gestell aus Aluminium-Profilen befestigt.

Das PMMA-Rohr wird beidseitig durch Aluminiumplatten verschlossen. Eine der Platten (im Bild 2 links) dient zusätzlich für die Detektorbefestigung, die zweite zur Aufnahme des kompletten Kalorimeters an einem Kohlefaserrohr. Zusätzlich ist in diese Platte eine mit Wasser durchströmte Kühlvorrichtung integriert, um das Wasser im Phantom schnell auf die gewünschte Temperatur (i.d.R. 4°C) zu kühlen. Über einen magnetgekoppelten Rührer mit außen liegendem Antrieb kann das Wasser in Bewegung versetzt werden, um Temperaturunterschiede zu minimieren.

Das Wasserphantom ist von 2 Isolierschichten aus Polyurethanschaum umgeben, in deren Mitte sich noch zusätzlich Kühlschläuche befinden. Diese stabilisieren die Wassertemperatur im Bereich von +/- 0,01 K.

Bild 2: Schnitt durch das Wasserkalorimeter mit Detektor in der Mitte, Isolierung und Schwenklager

Zur Montage und zum Austausch der Detektoren kann das Kalorimeter um 90° in die Senkrechte gekippt werden (Bild 3). Danach lassen sich der linke Teil der Isolierung und der Aluminium-Deckel demontieren ohne das Wasser wechseln zu müssen.

Bild 3: Kalorimeter auf dem Untergestell in der Position für den Detektorwechsel mit demontierter Isolierkappe.