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Elektronenwechselwirkungsquerschnitte von Gewebebausteinen

23.12.2021

Eine genaue Dosisberechnung ist eine der Grundvoraussetzungen für eine erfolgreiche Behandlung in der Strahlentherapie. Monte‑Carlo‑Simulationen gelten derzeit als das genaueste Verfahren zur Bestimmung der Dosisverteilung unter komplexen Bestrahlungsbedingungen. Insbesondere im Bereich starker Gewebeinhomogenität wie beispielsweise im Hals‑Kopf‑Bereich und Lungenthorax ist die genaue Berechnung der Dosis nur mittels von MC‑Verfahren möglich.

Die Genauigkeit von MC‑Simulationen wird hauptsächlich neben der statistischen Unsicherheit durch die Ungenauigkeit in den verwendeten Wirkungsquerschnitt‑Datensätzen und in der Modellierung der Teilchentransportprozesse limitiert. Die Energieabgabe ionisierender Strahlung an Gewebe erfolgt im Wesentlichen durch Sekundärelektronen. Genaue Daten für doppelt‑differentielle Elektronenwirkungsquerschnitte von Gewebe‑Bestandteilen in Abhängigkeit von der Elektronenenergie und Emissions‑ bzw. Streuwinkeln sind daher von entscheidender Bedeutung für die präzise Berechnung lokaler Dosis in der Strahlentherapie.

Menschliche Gewebe bestehen im Wesentlichen aus Wasser, Proteinen und Lipiden. Die Wechselwirkungsquerschnitte dieser Gewebe lassen sich in guter Näherung als eine Summe  der im Gewebe vorkommenden funktionellen Gruppen darstellen. Als Erstes wurden die Elektronenwechselwirkungsquerschnitte von Ethanol, das eine funktionelle Gruppe von Protein enthält, doppelt‑differentiell als Funktion der Energie E und des Emissionswinkels mittels der Crossed‑Beam‑Anordnung gemessen. Bei dieser Anordnung wird ein effusiver Molekularstrahl senkrecht vom Elektronenstrahl durchkreuzt. Der Primärstrom betrug 7 μA. Die Gasdichte im Molekularstrahl lag bei etwa 5∙1014/cm3. Als Elektronenspektrometer wurde ein hemisphärischer Analysator mit einem mittleren Durchmesser von 65 mm und 3 integrierten Channeltron‑Detektoren verwendet.

Als ein Beispiel zeigt die Abb. 1 das doppelt‑differentielle Energiespektrum d2 N/dEdΩ von Elektronen, die von Primärelektronen mit der Energie von T=1 keV in Ethanol unter 90° emittiert werden. Es ist zu erwähnen, dass der Spektrumsbereich oberhalb von etwa (T‑I)/2 das Energieverlustspektrum von Primärelektronen und der niederenergetische Teil das Energiespektrum von Sekundärelektronen darstellt. Dabei bedeutet die Größe I das Ionisierungspotential des Moleküls. In der Abb. 1 sind der elastische Peak bei 1 keV und die Augenlinie von Kohlenstoff bei etwa 270 eV klar zu erkennen.

doppelt-differentielles Energiespektrum

Abbildung 1: Doppelt‑differentielles Energiespektrum d2 N/dEdΩ von Elektronen, die von 1 keV‑Primärelektronen in Ethanol erzeugt werden. Der Emissionswinkel war 90°. Der Bereich unterhalb von etwa 495 eV ist das Energiespektrum von Sekundärelektronen.

 

Ansprechpartner:

Opens local program for sending emailW. Y. Baek, Fachbereich 6.3, Arbeitsgruppe 6.36