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PK100N – Das neue Luftkerma-Primärnormal für weiche Röntgenstrahlung

19.12.2018

Die Arbeitsgruppe 6.25 (Dosimetrie für die Röntgendiagnostik) betreibt drei Freiluft-Ionisationskammern (FLK) zur primären Darstellung der Einheit der Luftkerma für diagnostische Röntgenstrahlung. Die Kammern decken verschiedene Bereiche für Röntgenstrahlung  ab: die PK100 hauptsächlich den weichen Röntgenstrahlungsbereich von 7,5 kV bis 100 kV Erzeugerspannung, die Fasskammer einen mittlere Bereich von 30 kV bis 300 kV und die PK400 einen höheren Bereich von 50 kV bis 400 kV.

In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach Kalibrierungen von Sekundärnormalen insbesondere für weiche Röntgenstrahlung, zum Beispiel von Mammographie-Strahlungsqualitäten, deutlich angestiegen. Das hat zu einer sehr hohen Auslastung der PK100 geführt, und es nötig gemacht, eine Alternative zu finden.

In der PK100 sind Potentialführungsdrähte verbaut, um das Feld im Innern der Kammer homogen zu halten, wodurch man ein gut definiertes Messvolumen erhält. Das Volumen geht direkt in die Bestimmung der Luftkerma ein. Das ist mit zwei Nachteilen verbunden: trotz der Drähte ist das Feld nicht homogen, was in der PK100 nicht genau bestimmt werden konnte. Außerdem gehen die Potentialdrähte auch durch den Strahlengang, und führen zu erheblicher Streuung und Schwächung insbesondere der weichen Röntgenstrahlung. Die genaue Bestimmung der Streu- und Schwächungskorrektionen ist schwierig, da die Zusammensetzung und Größe der Drähte schwer zu bestimmen ist.

Die Freiluft-Ionisationskammer PK100

Abbildung 1:     Die Freiluft-Ionisationskammer PK100N.

Die PK100N ist eine Freiluft-Ionisationskammer vom Typ der Parallelplattenkammern (siehe Abbildung 1). Sie wurde in den letzten Jahren entwickelt und gebaut für die Darstellung der Einheit der Luftkerma im Weichstrahlbereich bis 100 kV Beschleunigungsspannung, als verbesserte Alternative zur PK100. Mit ihrer Hilfe soll das erhöhte Kalibrieraufkommen bewältigt werden, und gleichzeitig die Nachteile der PK100 behoben werden.

Schematischer Querschnitt der PK100

Abbildung 2: Schematischer Querschnitt der PK100N, wie sie in den Simulationen mit dem Anwender-Code „egs_fac“ des Monte-Carlo-Softwarepaktes EGSnrc benutzt wird. Innerhalb der Kammer sind Berechnungen der Inhomogenitäten des elektrischen Feldes aufgetragen.

Die PK100N wurde ohne Potentialführungsdrähte im Strahlgang gebaut. An deren Stelle wurden Ringelektroden entwickelt, die am Strahleingang und -ausgang unterbrochen sind (siehe Abbildung 2). Die genaue Geometrie der Ringelektroden wurde mit Hilfe von Feldberechnungen optimiert, die mit der Software SIMION Version 8.1 durchgeführt wurden. Um das Feld möglichst homogen zu halten, wurden die Ringelektroden um den Strahlgang verstärkt, wie im schematischen Aufbau in Abbildung 2 angedeutet ist.

Durch die fehlenden Potentialdrähte entstehen trotz des optimierten Aufbaus der Ringelektroden Feldverzerrungen. In Abbildung 2 ist im Inneren Bereich eine Karte der Feldverzerrungen eingezeichnet. Dort, wo der Strahl in die Kammer eintritt und austritt, sind große Abweichungen von der Homogenität zu erkennen. Mit Hilfe von SIMION können diese Feldverzerrungen jedoch sehr genau berechnet werden, und damit auch der Korrektionsfaktor für die Verzerrung des Messvolumens.

Das Fehlen der Potentialführungsdrähte erleichtert auch die Bestimmung der Korrektion für Streuung und Schwächung. Für die PK100N wurde sie mit sehr kleiner Unsicherheit mit dem Anwender-Code „egs_fac“ des Monte-Carlo Softwarepakets EGSnrc berechnet.

Nach der Fertigstellung der Kammer wurde ein vorläufiger interner Vergleich mit der PK100 und der Fasskammer durchgeführt. Im überschneidenden Energiebereich stimmen die Ergebnisse innerhalb der Messunsicherheiten überein. Die PK100N soll ab Herbst 2018 für Kalibrierungen von Sekundärnormalen eingesetzt werden.