Bestimmung der Wasser-Energiedosis in Neutronen- und Ionenstrahlen mit Ionisationskammern und einem transportablen Wasserkalorimeter

Ein transportables und kompaktes Wasserkalorimeter wurde in Kliniken und Forschungsinstituten eingesetzt, die verschiedene Strahlenarten für die Krebstherapie verwenden: im kollimierten Neutronenstrahl (Klinikum Essen), in Protonenstrahlen (HMI in Berlin und iTHEMBA LABS in Südafrika) sowie im ¹²C-Schwerionen-Therapiestrahl (GSI in Darmstadt). Die Wasser-Energiedosis wurde mit Unsicherheiten von weniger als 1,8 % bestimmt und bestätigt die Messungen mit Standard-Ionisationskammern.

Die PTB verwendet ein Wasserkalorimeter als Primärnormal für die Darstellung der Einheit der Wasser-Energiedosis in Therapiefeldern. Die Arbeitsgruppe 6.41 betreibt ein spezielles Wasserkalorimeter als Normalmessgerät für die Wasser-Energiedosis in kollimierten Neutronenfeldern und in Ionenstrahlen. Es ist für Strahlungsfelder unterschiedlicher Strahlungsart und Strahlungsenergie geeignet. Messungen mit diesem Wasser-Kalorimeter im ⁶⁰Co-Referenz-Photonenfeld der PTB wurden mit Ionisationskammer-Messungen verglichen. Die Ergebnisse beider Messverfahren stimmten dort innerhalb von 0,3 % überein.

Das Kalorimeter ist kompakt und transportabel und wurde für den Einsatz in klinischen Strahlungsfeldern entwickelt. In den letzten Jahren wurde es zur präzisen Bestimmung der Wasser-Energiedosis in der PTB und am Klinikum der Universität Essen (mittlere Neutronenenergie ), an der Augentherapieanlage des HMI in Berlin (mittlere Protonenenergie ), am iThemba LABS in Kapstadt, Südafrika (Protonenenergie E_p = 182 MeV), sowie im ¹²C-Schwerionen-Therapiestrahl der GSI in Darmstadt (Ionenenergie E(¹²C) = 430 MeV/u) eingesetzt [1].

In einem Wasserkalorimeter wird die Energieabgabe durch die Strahlung als Temperaturerhöhung (0,24 mK/Gy) mit sehr empfindlichen Sensoren gemessen. Zusätzlich zu den Messungen mit dem Kalorimeter wurde in den oben genannten Strahlungsfeldern die Dosis mit dem üblichen Standardverfahren, der Ionisationskammerdosimetrie, bestimmt. Beim Vergleich von Kalorimeter- und Ionisationskammermessungen in den verschiedenen Strahlungsfeldern (Tabelle) erkennt man zum einen die geringe relative Standardunsicherheit von weniger als 1,8 % bei der Kalorimetrie gegenüber 3,3 % bei der Ionometrie und zum anderen die gute Übereinstimmung zwischen beiden Verfahren. Der kalorische Defekt für das im Kalorimeter benutzte Wasser wurde in unabhängigen Versuchsreihen bestimmt [2]. Diese Korrektion für die Energiedosis berücksichtigt den Anteil der im Wasser absorbierten Energie, der sich nicht in einer Temperaturänderung des Absorbers (Wasser) darstellt.

Tabelle: Vergleich von Kalibrierfaktoren für die jeweiligen Strahlmonitore hinsichtlich der Wasser-Energiedosis bei verschiedenen Strahlungsarten, ermittelt mit dem Kalorimeter bzw. mit Ionisationskammern.

Strahlungsart (Institut) Enerie	Kalibrierfaktor für den Monitor (in Gy / Monitoreinheit)		relative Abweichung der Kalibrierfaktoren %
	Kalorimeter	Ionisationskammern
Protonen (HMI)	1,36 ± 0,02	1,36 ± 0,04	± 0,0
Protonen (TLABS) Ep = 182 MeV	2,95 ± 0,04	2,97 ± 0,09	+ 0,7
Neutronen (PTB)	306 ± 5	303 ± 10	- 1,0
12C- Ionen (GSI) E(12C) = 430 MeV/u	2,77 ± 0,05	2,69 ± 0,08	- 3,0

Literatur:

1. H.J. Brede, K.-D. Greif, P. Heeg, J. Heese, O. Hecker, D.T.L. Jones, H. Kluge, and D. Schardt: Absorbed Dose to Water Determination with Ionization Chamber Dosimetry and Calorimetry in Restricted Neutron, Photon, Proton and Heavy Ion Radiation Fields. Zur Veröffentlichung eingereicht in Physics in Medicine and Biology
2. H.J. Brede: Darstellung der Wasserenergiedosis im kollimierten, gemischten Neutronen-Photonenfeld der PTB. Report PTB-N-45 (2004, in German)