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Experimentelle Überprüfung der Skalierbarkeit von Spurstrukturen ionisierender Strahlung in nanometrischen Volumina

29.09.2008

Eine wesentliche Aufgabe der experimentellen Nanodosimetrie ist die Untersuchung von Spurstrukturen ionisierender Strahlung in nanometrischen biologischen Volumina, wie z. B. in DNA-Segmenten, im Hinblick auf die Erzeugung von Strahlenschäden, die auf direkte Ionisationsereignisse zurückzuführen sind. Die wesentliche Kenngröße einer derartigen Spurstruktur ist die Häufigkeitsverteilung der Größe von Ionisationsclustern, das so genannte nanometrische Spektrum. Ein Volumenelement, welches für diese Art von Untersuchung als geeignet angesehen werden kann, ist von der Größe eines DNA-Segmentes bestehend aus ca. 20 Basenpaaren (d. h. ein Zylinder mit einem Durchmesser von ca. 4 nm und einer Höhe von ca. 8 nm bei einer Dichte von 1 g/cm3). Nanometrische Spektren, die einem solchen Volumenelement zuzuordnen sind, können in einem ionenzählenden Nanodosimeter gemessen werden, das mit einem geeigneten Gas gefüllt ist und in dem die durch die ionisierende Strahlung erzeugten Ionen nach ihrer Drift durch das Gas nachgewiesen werden.

Da als Ersatztarget für ein DNA-Segment ein Zylinder aus flüssigem Wasser dient, benötigt man ein Verfahren, um die in gasförmigen Medien gemessenen nanometrischen Spektren so umzuskalieren, dass sie äquivalent zu den nanometrischen Spektren eines Targets aus flüssigem Wasser mit nanometrischen Dimensionen sind. Ein solches Skalierungsverfahren beruht auf dem Verhältnis der mittleren freien Weglängen, die die ionisierende Teilchen in dem jeweiligen Medium haben. Die mittlere freie Weglänge eines Teilchen in einem Material ist wiederum umgekehrt proportional zum Wirkungsquerschnitt. Das Verfahren wurde in [1] beschrieben und mit Monte-Carlo Simulationen überprüft.

An den Beschleunigeranlagen der PTB wurden nanometrische Spektren in monoenergetischen Protonen- und Alphateilchenstrahlen im Energiebereich von 0,1 MeV bis 20 MeV gemessen. Als Messgase dienten C3H8 und N2. Die aus den Wirkungsquerschnitten von C3H8 und N2. resultierenden mittleren freien Weglängen ergeben Druckverhältnisse von 0,55 mbar C3H8 und 1,2 mbar N2 für Alphateilchen und 0,5 mbar C3H8 und 1,2 mbar N2 für Protonen. Im Experiment wird die beste Übereinstimmung für Druckverhältnisse von 0,46 mbar C3H8 und 1,2 mbar N2 für Alphateilchen und 0,425 mbar C3H8 und 1,2 mbar N2 für Protonen erzielt. Der Grund für diesen Unterschied liegt in den großen Unsicherheiten der zur Zeit in der Literatur vorhandenen Wirkungsquerschnitte für Alphateilchen und Protonen in den verwendeten Gasen.

Abbildung : Mittlere Ionisationsclustergröße M1(T) für die gemessenen Häufigkeitsverteilung der Ionisationsclustergröße für primäre Protonen- und Alphateilchenstrahlen verschiedener Energien T für die jeweilige Kombination der beiden Messgase.

Die Abbildung zeigt den Vergleich der mittleren Ionisationsclustergröße M1(T)Protonen- und Alphateilchenstrahlen verschiedener Energien T für die jeweilige Kombination der beiden Messgase.

Literatur

  1. Großwendt, B.:
    Nanodosimetry, the metrological tool for connecting radiation physics with radiation biology,
    Radiat. Prot. Dosim. (2006), Vol. 122, No. 1 - 4, p. 404 - p. 414