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Primärnormal-Messeinrichtung für Co-60-Strahlung (Kalorimeter, Detektor)

Die Wasser-Energiedosis, DW, ist die grundlegende Messgröße in der Dosimetrie für die Strahlentherapie. Im klinischen Betrieb wird diese Messgröße üblicherweise mit Dosimetern, z.B. Ionisationskammern verschiedener Bauformen, bestimmt, die zur Anzeige der Wasser-Energiedosis in einem 10 cm x 10 cm ausgedehnten 60Co-Strahlungsfeld kalibriert sind. Die Kalibrierfaktoren dieser Detektoren sind dabei rückführbar auf die in der PTB betriebene Primärnormal-Messeinrichtung für die Darstellung der Einheit Gray (Gy) der Wasser-Energiedosis.

Die Primärnormal-Messeinrichtung der PTB basiert auf der Verwendung eines Wasserkalorimeters. Dieses Kalorimeter ist in der Lage, DW für 60Co-Strahlung unter Referenzbedingungen mit einer Standardmessunsicherheit von ca. 0,2 % zu bestimmen.

Das Kalorimeter

Das Kalorimeter besteht im Wesentlichen aus einem kubischen Wasserphantom mit jeweils 30 cm Kantenlänge, das aufgrund des Betriebes bei einer Wassertemperatur von 4°C mit einer ca. 8 cm dicken Schicht aus Polystyrol ummantelt ist. Der kalorimetrische Detektor kann in unterschiedlichen Messtiefen relativ zum Strahlungseintrittsfenster in das Wasserphantom eingesetzt werden (z.B. 5 cm bei 60Co-Strahlung). Zur Temperaturstabilisierung befindet sich das Kalorimeter selbst innerhalb eines isolierten Außengehäuses mit ca. 1 m Kantenlänge, in welchem die Temperatur der Luft aktiv auf 4°C geregelt wird. Ventilatoren, die an den Innenwänden dieses Gehäuses angebracht sind, lassen die Luft um das eigentliche Kalorimeter zirkulieren, was letztlich zu einer konstanten Wassertemperatur im Kalorimeter führt.

Das Bild links zeigt das Wasserkalorimeter (Außengehäuse mit rot markiertem Strahlungseintrittsfenster) in Messposition vor der 60Co-Bestrahlungsanlage der PTB. Das Bild rechts zeigt das geöffnete Außengehäuse (Kantenlänge ca. 1 m) von der Rückseite mit dem darin befindlichen Wasserphantom
(alufarben, Kantenlänge ca. 0,5 m).

Mit Hilfe des oben gezeigten Primärnormal-Wasserkalorimeters wurde das 60Co-Strahlungsfeld in Einheiten der Wasser-Energiedosis DW kalibriert und dient so der Weitergabe der Einheit Gray an den Anwender (Hersteller von Dosimetern, Medizinphysiker in Krankenhäusern etc.).

Der Detektor

Die strahlungsinduzierte Temperaturerhöhung im Wasser beträgt ca. 0,24 mK pro Gy und wird mit Hilfe temperaturkalibrierter Thermistoren (∅ ca. 0,25 mm) gemessen, die jeweils in der Spitze einer dünnen, konisch zulaufenden Glaspipette (kleinster Durchmesser ca. 0,5 mm, Gesamtlänge ca. 110 mm) eingeschmolzen sind.

Bild eines Temperatursensors. Der Thermistor ist direkt in die Spitze einer dünnen Glaspipette eingeschmolzen, der Durchmesser der Spitze beträgt ca. 0,5 mm.

Zur Verwendung im kalorimetrischen Detektor sind zwei dieser Temperatursensoren innerhalb eines mit hochreinem Wasser gefüllten Glaszylinder (∅: 95 mm; H: 41 mm; Wandstärken 0,7 mm bzw. 2,5 mm) gegenüberstehend in einem Abstand von ca. 8 mm montiert. Mittels eines Rahmens aus Plexiglas wird der Detektor in der entsprechenden Messtiefe im wassergefüllten Phantom des Kalorimeters so fixiert, dass die horizontal einfallende Strahlung parallel zur Zylinderachse gerichtet ist.

Das Bild zeigt den Detektor des Wasserkalorimeters, fixiert in einem Rahmen aus Plexiglas, mittels dessen der Detektor im Wasserphantom fixiert wird. Die Bestrahlung erfolgt parallel zur Zylinderachse.

Die Geometrie des Detektors und insbesondere die geringen Wandstärken des Glaszylinders bzw. der Temperatursensoren wurden so gewählt, um einerseits die Störung des Strahlungsfeldes minimal zu halten, und andererseits um mit Hilfe von Finite-Elemente Rechnungen die benötigten Korrektionsfaktoren für Wärmetransportvorgänge im Kalorimeter mit hoher Genauigkeit bestimmen zu können.

Neben dem Primärnormal-Wasserkalorimeter bei 60Co-Strahlung werden in der PTB weitere Kalorimeter für andere Anwendungsgebiete der Dosimetrie in der Strahlentherapie betrieben. In allen Wasserkalorimetern wird dabei der gleiche Detektortyp verwendet.