Logo PTB

Kalorimetrische Bestimmung der Wasser-Energiedosis

Die Wasser-Energiedosis, DW, ist die grundlegende Messgröße in der Dosimetrie für die Strahlentherapie. Die Einheit der Wasser-Energiedosis ist das Gray (Gy), es gilt: 1 Gy = 1 J/kg. Die direkteste Methode zur Darstellung des Gray beruht auf der Verwendung eines Wasserkalorimeters, mit dem die strahlungsinduzierte Temperaturerhöhung ΔT an einem Messort im Wasserphantom bestimmt wird. Einer Wasser-Energiedosis von 1 Gy entspricht eine Temperaturerhöhung ΔT von ca. 0,24 mK. Prinzipiell ergibt sich DW durch Multiplikation von ΔT mit der spezifischen Wärmekapazität cp von Wasser, jedoch sind die Einflüsse verschiedener physikalischer Effekte zu berücksichtigen:

Nach oben

In obiger Formel bezeichnet h den so genannten "kalorischen Defekt", der eine mögliche Abweichung zwischen absorbierter Strahlungsenergie und Wärmeerzeugung im Wasser berücksichtigt. Der kalorische Defekt basiert auf strahlungsinduzierten chemischen Reaktionen im Wasser und kann bei Vorhandensein von im Wasser gelösten Zusatzstoffen (z.B. Verunreinigungen) signifikant werden. Für hochreines Wasser gilt jedoch h = 0.

Erforderliche Korrektionen für weitere Einflussgrößen, z.B. für Störungen des Strahlungsfeldes durch den kalorimetrischen Detektor oder für Wärmeleitungseffekte sind in obiger Formel unter dem Produkt ∏ki zusammengefasst. Wärmeleitungseffekte verursachen ein Zerfließen der durch die Strahlungsabsorption gegebenen Temperaturverteilung und sind je nach Bestrahlungsbedingung (z.B. Feldgröße, Zeit etc.) unterschiedlich stark ausgeprägt. Die notwendigen Korrektionen für die Bestimmung von DW liegen zwischen 0,1 % und mehreren Prozent und werden mit Hilfe von Wärmetransportrechnungen auf Basis der Finite-Elemente Methode bestimmt.

Durch die Absorption der Strahlung entsteht im Wasser entlang der Strahlrichtung eine Temperaturverteilung, die dem Verlauf der Tiefendosis entspricht. Eine konvektive Bewegung im Wasser würde die ursprüngliche Temperaturverteilung am Messort zerstören und die korrekte Messung der strahlungsinduzierten Temperaturerhöhung ΔT verhindern. Um Konvektion zu verhindern, wird ein Wasserkalorimeter üblicherweise bei einer Temperatur von 4°C betrieben.

Die kalorimetrische Bestimmung von DW erfolgt im Prinzip unabhängig von der Energie und Art der Strahlung. Dies eröffnet der Wasserkalorimetrie ein breites Anwendungsgebiet als Normalmessverfahren zur Bestimmung von DW. Neben der Verwendung als Primärnormal zur Darstellung des Gray bei 60Co-Strahlung unter Referenzbedingungen ergeben sich weitere Anwendungen für einen Großteil der in der externen Strahlentherapie eingesetzten Strahlungsqualitäten und Bestrahlungsbedingungen, z.B. für Röntgenstrahlung mittlerer Energie, für Schwerionenstrahlung oder für hochenergetische Photonen- und Elektronenstrahlung. Ein weiteres Anwendungsgebiet stellt darüber hinaus die Dosimetrie von 192Ir-Quellen dar, die in der Brachytherapie eingesetzt werden. Für alle genannten Bereiche verfügt die PTB über eine Reihe von Wasserkalorimetern, mit deren Hilfe experimentelle Daten gewonnen werden, die letztlich zu einer Reduzierung der Messunsicherheiten und zur Qualitätssicherung in der Dosimetrie für die Strahlentherapie beitragen.