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Messung des Bremsvermögens von flüssigem Wasser für Kohlenstoffionen

14.12.2015

Das Bremsvermögen von flüssigem Wasser für Kohlenstoffionen mit Energien im Bereich des maximalen Bremsvermögens wurde mit Hilfe der Inverted Doppler Shift Attenuation Methode ermittelt.

Das Bremsvermögen von Wasser für Kohlenstoffionen ist die elementare Größe, die zur Berechnung von Dosisverteilungen im Rahmen der Bestrahlungsplanung für die Kohlenstoffionen-Therapie benötigt wird. Während bei hohen Projektilenergien das Bremsvermögen mit Hilfe der Bethe-Bloch-Gleichung [1] relativ genau bestimmt werden kann, ist dies bei Projektilenergien, bei denen das Bremsvermögen und damit die relative biologische Wirksamkeit den maximalen Wert erreicht, auf Grund der in diesem Energiebereich komplexeren Wechselwirkungsmechanismen nicht möglich.

Zudem existierten bislang für diesen therapeutisch wichtigen Energiebereich keine experimentellen Daten für schwere Ionen. Deshalb sollte im Rahmen dieser Arbeit das Bremsvermögen von Wasser für Kohlenstoffionen mit kinetischen Energien im Bereich von 1 MeV bis 6 MeV experimentell als Funktion der Energie bestimmt werden. In diesem Energiebereich durchläuft das Bremsvermögen das Maximum. Kohlenstoffprojektile mit diesen Energien haben Reichweiten von lediglich einigen wenigen Mikrometern in Wasser. Da die Präparation von solch dünnen Wasserfilmen im Vakuum praktisch nicht realisierbar ist, sind klassische Transmissionsmessungen nicht anwendbar.

Aus diesem Grund wurde das Bremsvermögen mittels der sogenannten Inverted Doppler Shift Attenuation Methode gemessen. Diese Methode nutzt die Dopplerverschiebung der Energie der γ-Quanten aus, die von angeregten Kohlenstoffkernen emittiert werden und von der Projektilgeschwindigkeit zum Zeitpunkt der Emission der γ-Quanten abhängt. Die angeregten Kohlenstoffionen werden mittels der 12C(α,α‘)12C*-Kernreaktion erzeugt, wofür eine dünne Kohlenstoffschicht mit α-Teilchen beschossen wird [3].

Zu diesem Zwecke wurde ein wassergefülltes Target entwickelt, auf dessen Eintrittsfenster, bestehend aus Tantal, eine wenige 10 nm dünne Kohlenstoffschicht aufgetragen wurde. Die Eintrittsfolie dient dabei als Abgrenzung zwischen Vakuum und Wasser und gleichzeitig als Träger für das dünne Kohlenstofftarget. Das Material des Eintrittsfensters wurde hinsichtlich seines Einflusses auf Energie- und Winkelstreuung mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen untersucht.

Während ihrer Bewegung im Wasservolumen erfahren die angeregten Kohlenstoffionen eine Abbremsung und zerfallen unter Emission von γ-Quanten in ihren Grundzustand. Das Doppler-verbreitete Energiespekrum der γ-Quanten wurde mit Hilfe eines hochreinen Germaniumdetektors, dessen Symmetrieachse mit der α-Strahlachse zusammenfällt, aufgenommen.

Aus dem Energiespektrum der γ-Quanten kann das Bremsvermögen von Wasser für Kohlenstoffionen ermittelt werden, unter der Voraussetzung, dass die Startgeschwindigkeitsverteilung der Kohlenstoffprojektile bekannt ist.

Zur Bestimmung der Startgeschwindigkeitsverteilung wurde ein weiteres Targetsystem entwickelt. Dieses Targetsystem ermöglicht die Aufnahme des dopplerverschobenen Energiespektrums von γ-Quanten, die von im Vakuum zerfallenden Kohlenstoffionen emittiert werden. In diesem Fall erfahren diese keine Abbremsung und zerfallen damit bei der Geschwindigkeit, die sie bei der Kernreaktion erhalten haben.

Das Bremsvermögen kann durch ein Produkt einer Basisfunktion [4] und einer Modellfunktion mit drei freien Parametern [5] dargestellt werden. Diese wird zusammen mit der gemessenen Startgeschwindigkeitsverteilung genutzt um eine theoretisch resultierende Verteilung bei Abbremsung zu berechnen. Gesucht ist der Parametersatz und damit das Bremsvermögen, bei dem die berechnete Verteilung die beste Übereinstimmung mit der gemessenen Verteilung bei dem Abbremsprozess im Wassertarget liefert.

Abb. 1: Prinzipskizze des Aufbaus zur Messung des Bremsvermögens von flüssigem Wasser für Kohlenstoffionen

Mit Hilfe von Experimenten an der Ionenbeschleunigeranlage PIAF der PTB wurde das wassergefüllte Target sowie der restliche experimentelle Aufbau getestet und optimiert. Erste Ergebnisse zeigten, dass die Methode der Inverted Doppler Shift Attenuation sowie der entwickelte experimentelle Aufbau für die Bestimmung des Bremsvermögens von Wasser für Kohlenstoffionen im gewünschten Energieintervall geeignet ist [6] und das Bremsvermögen von Wasser niedriger als das in Literatur erhältliche Bremsvermögen von Wasserdampf ist.(siehe Abbildung 2).

Abb. 2: Links dargestellt ist das experimentell bestimmte Bremsvermögen von Wasser für Kohlenstoffionen (durchgezogene Linie) sowie das mit SRIM 2013 berechnet e Bremsvermögen von Wasserdampf für Kohlenstoffionen(gestrichelte Linie). Die durchgezogener Linie im rechten Bild stellt den besten Fit an die experimentellen Daten dar.

Die Reduktion der experimentellen Unsicherheiten und damit eine präzisere Bestimmung des Bremsvermögens ist der aktuelle Gegenstand der Untersuchungen.

Literatur

  1. H. Bethe, Annalen der Physik 397 (1930) 325
  2. W. Pietsch, U. Hauser and W. Neuwirth, Nuclear Instruments and Methods 132 (1976) 79
  3. G. E. Mitchell, E.B. Carter and R.H. Davis, Phys. Rev. 133 (1963) 1434
  4. ICRU Stopping Powers and Ranges for Protons and Alpha Particles, ICRU Report 49 (Bethesda, MD: International Commision on Radiation Unit and Measurement), 1993
  5. H. Paul and A. Schinner, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B 195 (2002) 166
  6. J. M. Rahm, W. Y. Baek, H. Rabus and H. Hofsäss, Phys. Med. Biol. 59 (2014) 3683