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Korrelationen bei der Erzeugung von Ionisationen in Wasser und Tetrahydrofuran (THF) in räumlich getrennten simulierten nanometrischen Volumina

18.12.2018

Es ist allgemein akzeptiert, dass bei Bestrahlung mit ionisierender Strahlung die Dichteverteilung der Ionisationen in einem DNA-Segment die wesentliche Größe ist, welche die Schädigung der DNA bestimmt. Es ist zu erwarten, dass für dichter ionisierende Teilchen auch die räumliche Korrelation der Ionisationen wichtig wird, da ein komplexer Schaden, der zwei oder mehrere Doppelstrangbrüche der DNA beinhaltet, zu einem erheblichen Verlust von DNA-Material führen kann, abhängig vom Abstand und von der Schwere der Schäden. Diese Art von Schäden treten für schwere geladene Teilchen im Bereich des Braggmaximums, wie leichte Ionen oder Neutronen, mit größerer Wahrscheinlichkeit auf als für Elektronen oder Photonen.

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 und ist abhängig vom Ort, an dem die Targetgasionen entstehen. Durch die Anwendung von Zeitfenstern im Driftzeithistogramm der ionisierten Targetgasmoleküle lassen sich unter ansonsten unveränderten Bedingungen unterschiedliche Zielvolumina einstellen. Als Detektor für die Primärionen dient 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 und die beiden Zielvolumina in Form und Größe abgebildet werden.

Die verwendeten Targetgase betrachten unterschiedliche Aspekte der Entstehung von Strahlenschäden. Die bei der Ionisation von H2O entstehenden Radikale sind für die Entstehung von indirekten DNA-Schäden verantwortlich, während C4H8O (THF) als Baustein im DNA-Strang enthalten ist.

Gemessene zweidimensinoale Häufigkeitsverteilung

Abb.: Gemessene zweidimensionale Häufigkeitsverteilung für die korrelierte Erzeugung von n Ionisationen im Zielvolumen V1 und m Ionisationen im Zielvolumen V2 für Alphateilchen aus einer 241Am-Quelle in 1,2 mbar C4H8O (links) und in 1,2 mbar H2O (rechts) mit einem breiten Primärteilchenstrahl, der beide Zielvolumina V1 und V2 abdeckt.

Die Abbildung zeigt eine gemessene zweidimensionale Häufigkeitsverteilung für die korrelierte Erzeugung von n Ionisationen im Zielvolumen V1 und m Ionisationen im Zielvolumen V2 für Alphateilchen aus einer 241Am-Quelle in 1,2 mbar C4H8O (links) und in 1,2 mbar H2O (rechts) mit einem breiten Primärteilchenstrahl, der beide Zielvolumina V1 und V2 abdeckt. Bei gleicher Teilchenzahldichte sind die in H2O gemessenen Ionisationsclustergrößen deutlich kleiner als für C4H8O (THF). Da die beiden Zielvolumina in etwa gleich groß sind und vollständig vom Primärstrahl abgedeckt werden, sind die korrelierten Verteilungen nahezu symmetrisch bezüglich einer Geraden, die durch alle Punkte ν = µ geht. Weiterhin sind die Häufigkeitsverteilungen für die Clustergröße µ für konstante Clustergrößen ν von nahezu ähnlicher Form und umgekehrt.

Bildunterschrift: Gemessene zweidimensionale Häufigkeitsverteilung für die korrelierte Erzeugung von ν Ionisationen im Zielvolumen V1 und m Ionisationen im Zielvolumen V2 für Alphateilchen aus einer 241Am-Quelle in 1,2 mbar C4H8O (links) und in 1,2 mbar H2O (rechts) mit einem breiten Primärteilchenstrahl, der beide Zielvolumina V1 und V2 abdeckt.