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Implementierung von Elektronen Streuquerschnitten für orientierte Wassermoleküle für die Berechnung der Spurstruktur

17.03.2015

Um die Qualität von strahlentherapeutischen Behandlungen zur Krebsbekämpfung zu erhöhen, werden derzeit neue Geräte entwickelt, die eine gezielte Bestrahlung des Tumorvolumens bei simultaner hochauflösender Visualisierung der anatomischen Strukturen des Patienten erlauben. Es handelt sich um so genannte MRI-Linacs, die aus einer Kombination aus einem linearen Beschleuniger und einem Magnetresonanz-Bild­gebungsystem bestehen.

Eine kritische Frage bei der Verwendung solcher Geräte ist die Auswirkung des Magnetfeldes auf die biologische Wirksamkeit der Strahlung. Diese Fragestellung wird derzeit im Rahmen des EMRP Projektes HLT06 „MRI Safety“ mit Hilfe von Simulationen der Spurstruktur von niederenergetischen Elektronen in Wasser mittels des Monte Carlo Codes PTra [1] untersucht.

Aufgrund des Diamagnetismus des Wassermoleküls wird eine Veränderung seiner Orientierung unter Einfluss des Magnetfeldes erwartet. Es wurden die Elektronenstreuquerschnitte für orientierte Wassermoleküle im Energiebereich von 40 eV bis 1 keV berechnet. Die Berechnungen haben gezeigt, dass diese Variation der Polarisation der Wassermoleküle Auswirkungen auf die Elektronenstreuquerschnitte von Wasser hat.

Da die Elektronenstreuquerschnitte eine entscheidende Rolle für die Spurstruktur spielen, war es notwendig, eine Methode zur Implementierung der neuen Werte mit Berücksichtigung der Orientierung der Wassermoleküle zu entwickeln. Aufgrund der Größe der neuen Datensätze (zum Beispiel ca. 50 GB für den achtfach differenziellen Ionisationsquerschnitt für eine Elektronenprimärenergie), wurde die Information in der Form von Kovarianzmatrizen zusammengefasst. Diese wurden für dσ/dE und d2σ/dEdθe einerseits (Abbildung 1) sowie d2σ/dEdθe und d3σ/dEdθedθs andererseits (Abbildung 2) berechnet, wobei E die Energie der Sekundärelektronen, θe der Polarwinkel der emittierten und θs der der gestreuten Elektronen sind. Diese Kovarianzmatrizen stellen ein Maß für die Sensitivität des Ionisationsprozess bezüglich der Veränderung der Molekülspolarisation dar.

Abb. 1: Korrelationsmatrix (links) und Kovarianzmatrix(rechts) zwischen dσ/dE und d2σ/dEdθe für die Primärenergie 100 eV und die Bindungsenergie 13,48 eV.

Abb. 2: Korrelationsmatrix (links) und Kovarianzmatrix (rechts) zwischen d2σ/dEdθe und d3σ/dEdθedθs für die Primärenergie 100 eV, die Bindungsenergie 13,48 eV und Sekundärenergie 43,26 eV.

Referenzen

  1.  M. U. Bug, H. Rabus, A. B. Rosenfeld, Radiat. Phys. Chem. Vol. 81, 1804-1812 (2012)

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