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Teilchenspuren in den Zellen

Besonders interessant für:

  • Strahlenschutz
  • Mediziner
  • Radiologen

In der PTB entstand in Zusammenarbeit mit israelischen Kollegen ein Nanodosimeter, mit dessen Hilfe Messgrößen entwickelt werden sollen, die die biologische Wirkung von ionisierender Strahlung in Zellen besser abbilden können als die zurzeit verwendeten Größen.

Um im Strahlenschutz oder in der medizinischen Strahlentherapie zu ermitteln, wie ionisierende Strahlung auf den menschlichen Körper wirkt, verwendet man bisher Messgrößen, die auf phänomenologischen Prozessen beruhen. Der Zusammenhang zur detaillierten mikroskopischen Struktur der Teilchenspur, also der räumlichen Verteilung der Wechselwirkungsereignisse im Körper, wird in der Nanodosimetrie erforscht. Ziel ist es, langfristig neue dosimetrische Messgrößen zu entwickeln, die die biologische Wirksamkeit der ionisierenden Strahlung bereits beinhalten. 

Zur Charakterisierung der Teilchenspurstruktur dienen statistische Größen wie die Ionisationsclustergrößenverteilung. Sie gibt die Wahrscheinlichkeit für die Erzeugung einer bestimmten Anzahl von Ionisationen in einem definierten Volumen an. In biologischen Zellen, etwa bei DNS-Segmenten mit 10 bis 20 Basenpaaren, sind das typischerweise Volumina mit Dimensionen von einigen Nanometern. Die Wirkung von ionisierender Strahlung lässt sich in so kleinen Volumina nicht direkt messen, sondern nur mithilfe von Monte-Carlo-Simulationsrechnungen ermitteln. Um die so berechneten Ionisationsclustergrößenverteilungen in kondensierter Materie (wie biologischen Zellen) mit jenen – messbaren – in makroskopischen Volumina von Messgasen zu verknüpfen, wurde eine Skalierungsprozedur entwickelt.

Das in Zusammenarbeit mit dem Weizmann Institute of Science in Israel entwickelte Nanodosimeter dient nun dazu, den Gültigkeitsbereich dieses Skalierungsverfahrens experimentell zu überprüfen und die dafür verwendeten Monte-Carlo-Programme zu validieren. Dazu werden derzeit die Ionisationsclustergrößenverteilungen in verschiedenen Messgasen für unterschiedliche Strahlenqualitäten systematisch untersucht. Die Dichte der Messgase ist so gewählt, dass die Gasmasse im Nachweisvolumen der Masse eines DNS-Segmentes entspricht. Kürzlich konnten so bereits Inkonsistenzen der in den Programmen verwendeten Stoffdaten aufgedeckt werden, die eine experimentelle Bestimmung der entsprechenden Wirkungsquerschnitte erforderlich machen.

Demnächst sollen Ionisationsclustergrößenverteilungen für Moleküle gemessen werden, die als Bausteine in der DNS vorkommen und deshalb für die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen nanodosimetrischen Größen und biologischer Wirksamkeit der Strahlung von großer Bedeutung sind. Mittelfristig soll das Nanodosimeter zum ortsaufgelösten Nachweis des Primärteilchens weiterentwickelt werden, um die Parameter der Spurstruktur zweidimensional messen zu können.

Ansprechpartner:

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Wissenschaftliche Veröffentlichung:

Hilgers, G.:
Check of the scaling procedure, of track structures of ionizing radiation in nanometric volumes. Rad. Meas (2010).