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Einfluss der Selbstabsorption auf die Dosisleistung einer Co-60-Quelle

10.12.2015

Für die Dosimetrie in der Strahlentherapie werden vorzugsweise Ionisationskammern eingesetzt, die bei 60Co-Strahlung zur Anzeige der Messgröße „Wasser-Energiedosis“ kalibriert sind. Diese Kalibrierungen sind rückführbar auf ein an der PTB vorhandenes Primärnormal (Wasserkalorimeter), das an einer 60Co Bestrahlungsanlage betrieben wird. Mit Hilfe des Wasserkalorimeters lässt sich die Wasser-Energiedosis mit einer relativen Standardmessunsicherheit von 0,2 % bestimmen [1].  Nach der Installation einer neuen 60Co-Quelle im Jahr 2010 zeigen die bis heute fortlaufenden Messergebnisse des Wasserkalorimeters, in denen üblicherweise bereits der Einfluss der 60Co-Halbwertszeit von ca. 5,3 Jahren berücksichtigt ist, eine geringfügige Abnahme der Wasser-Energiedosisleistung um ca. 0,12 %. Dieses Ergebnis wird unterstützt durch Messungen mit Sekundärstandard-Ionisationskammern, deren Ansprechvermögen über große Zeiträume stabil sind.

Der beobachtete Effekt kann durch eine Änderung der Selbstabsorption der 60Co-Strahlung im Material der Quelle erklärt werden, da sich durch den radioaktiven Zerfall des 60Co in 60Ni entsprechend die chemische Zusammensetzung des Quellenmaterials verändert. So verringert sich für die neue 60Co-Quelle der PTB mit einer Anfangsaktivität von 300 GBq (Januar 2011) das relative Verhältnis von radioaktivem 60Co zu natürlich vorkommenden 59Co in der Quelle innerhalb von 4,5 Jahren von 8,3 % auf 4,6 %, entsprechend nimmt der Anteil an 60Ni zu.  Mit dieser Änderung der chemischen Zusammensetzung des Quellenmaterials ist eine Änderung des Massenabschwächungskoeffizienten μ/ρ für Photonenstrahlung verbunden. Unter Verwendung tabellierter Daten für die von der Photonenenergie abhängigen Werte für μ/ρ von Cobalt und Nickel [2], und unter Berücksichtigung eines mit der Monte-Carlo Methode berechneten 60Co-Fluenzspektrums innerhalb der Quelle lässt sich der über das Fluenzspektrum gemittelte „effektive“ μ/ρ-Wert des Quellenmaterials als Funktion der Zeit berechnen.

 Abb. 1: Ergebnisse von Messungen mit dem Wasserkalorimeter über einen Zeitraum von fast 5 Jahren. Die rote Linie zeigt den berechneten Verlauf der Dosisleistung unter Berücksichtigung der Selbstabsorption der 60Co-Strahlung im Quellenmaterial

Die in der Bestrahlungsanlage der PTB eingebaute Quelle hat eine zylindrische Form mit 3 cm Länge und 2 cm Durchmesser. Der Quellenzylinder ist so in der Bestrahlungsanlage eingebaut, dass die Zylinderachse parallel zum Strahlungsfeld gerichtet ist. Mit Hilfe von mehreren Kollimatoren wird dabei erreicht, dass das Strahlungsfeld in einem Abstand von 1 m zur Quelle eine Ausdehnung von 10 cm x 10 cm aufweist. Damit wird der überwiegende Teil der das Strahlungsfeld außerhalb der Quelle bildenden Photonen parallel zur Zylinderache emittiert. Unter dieser Annahme kann die Selbstabsorption der 60Co-Strahlung in der Quelle mit Hilfe des exponentiellen Abschwächungsgesetzes unter Verwendung des zuvor bestimmten „effektiven“ μ/ρ-Wertes  berechnet werden. Es zeigt sich, dass die Selbstabsorption mit zunehmendem Anteil von 60Ni zunimmt, was wiederum mit einer Abnahme der Dosisleistung außerhalb der Quelle korrespondiert. In obiger Grafik ist das Ergebnis dieser Berechnung zusammen mit den Messergebnissen des Wasserkalorimeters dargestellt. Die gemessene Abnahme der Dosisleistung ist dabei in guter Übereinstimmung mit dem berechneten Einfluss der Selbstabsorption. Für zukünftige Kalibrierungen von Ionisationskammern kann der ursprünglich bestimmte Wert der Dosisleistung somit korrigiert werden.

Literatur

  1. Krauss, A.:
    The PTB water calorimeter for the absolute determination of absorbed dose to water in 60Co-radiation.
    Metrologia 43 (2006) 259-272
  2. Hubbell, J. H. and Seltzer, S. M. (2004),
    Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients (version 1.4).
    Available: physics.nist.gov/pml/data. Originally published as NISTIR 5632, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD (1995).