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Messung und Simulation der ortsabhängigen Nachweiswahrscheinlichkeit des PTB-Nanodosimeters unter Einbeziehung von Driftzeitfenstern

14.12.2015

Messungen und Simulationen der Zielvolumina des PTB-Nanodosimeters für verschiedene Driftzeitfenster wurden verglichen. Der Vergleich der zentralen Bereiche mit hoher mittlerer Ionisationsclustergröße bzw. Nachweiswahrscheinlichkeit zeigt eine insgesamt gute Übereinstimmung.

Ein wesentliches Charakteristikum des in der PTB betriebenen Nanodosimeters ist die Ortsabhängigkeit der Nachweiswahrscheinlichkeit für die entlang der Teilchenspur eines ionisierenden Teilchens erzeugten ionisierten Gasmoleküle des Targetgases. Diese räumliche Verteilung der Nachweiswahrscheinlichkeit definiert das Zielvolumen und ist das Resultat eines komplexen Zusammenspiels einer Reihe verschiedener Faktoren.

Die Ortsabhängigkeit der Nachweiswahrscheinlichkeit kann zum einen durch Simulationsrechnungen ermittelt werden. Dies geschieht auf der Basis des kommerziellen Programmpaketes SIMION 8.0 [1], welches zur Simulation des Transports geladener Teilchen in elektrischen Feldern im materiefreien Raum entwickelt worden ist. Jedoch muss für diese Problemstellung SIMION 8.0 mit zusätzlichem, vom Anwender bereit zu stellendem Code erweitert werden, um die nicht in SIMION 8.0 enthaltenen Transportphänomene in das Paket zu integrieren.

Zur experimentellen Bestimmung der räumlichen Verteilung der Nachweiswahrscheinlichkeit dient als Detektor für die Primärionen ein positionsempfindlicher Flächendetektor, der die Datenerfassung triggert und zusätzlich die Auftreffkoordinaten eines jeden Primärteilchens auf dem Detektor in zwei Dimensionen individuell erfasst. Damit können die Häufigkeitsverteilungen von Ionisationsclustern in Abhängigkeit von der Teilchenspur in zwei Dimensionen erfasst werden.

Die von einem Primärteilchen ionisierten Targetgasmoleküle werden durch elektrische Felder aus dem Zielvolumen extrahiert und in einem Sekundärelektronenvervielfacher nachgewiesen. Die Zeitspanne zwischen der Entstehung und dem Nachweis wird als Driftzeit bezeichnet. Durch die Anwendung von Zeitfenstern im Driftzeithistogramm der ionisierten Targetgasmoleküle lassen sich unter ansonsten unveränderten Bedingungen unterschiedliche Zielvolumina einstellen.

Abb. 1: Vergleich von Messung und Simulation der Zielvolumina für zwei verschiedene Driftzeitfenster.
X-Koordinaten < 0 mm: mittlere Ionisationsclustergröße M1(X,Y)gemessen mit Alphateilchen aus einer 241Am-Quelle in 1,2 mbar C3H8. X-Koordinaten > 0 mm: Simulation der räumlichen Verteilung der Nachweiswahrscheinlichkeit.

 

Abbildung 1 zeigt den Vergleich von Messung und Simulation der Zielvolumina für zwei verschiedene Driftzeitfenster. Die linke Hälfte einer jeden Grafik (X-Koordinaten < 0 mm) zeigt die Messung der mittleren Ionisationsclustergröße M1(X,Y) in Abhängigkeit von der Auftreffposition der Primärteilchen auf dem Detektor, gemessen mit Alphateilchen aus einer 241Am-Quelle in 1,2 mbar C3H8. Die rechte Hälfte (X-Koordinaten > 0 mm) zeigt die Simulation der räumlichen Verteilung der Nachweiswahrscheinlichkeit, in der neben dem reinen Transport der Targetgasionen auch die Projektion auf die Detektorebene, die Ortsauflösung des Triggerdetektors und die Effekte der Sekundärelektronen aus der Penumbra der Primärteilchenspur enthalten sind. Das Zentrum des Detektors (X = 0 mm, Y = 0 mm) fällt zusammen mit der zentralen Achse der Extraktionsblende (X = 0 mm) und der nominellen Höhe des Primärstrahls über der Extraktionsblende (Y = 0 mm). Der Vergleich von Messung und Simulation zeigt, dass das simulierte Zielvolumen sichtbar kleiner ist als das gemessene. Unterschiede treten hauptsächlich in den Randbereichen auf, während die zentralen Bereiche mit hoher mittlerer Ionisationsclustergröße bzw. Nachweiswahrscheinlichkeit eine insgesamt gute Übereinstimmung zeigen.

Referenzen:

  1. URL: www.simion.com