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Neues Experiment zur Messung der Wirkungsquerschnitte für die Ionisierung von DNA-Bestandteilen durch leichte Ionen

17.03.2015

Im Rahmen des EMRP Projekts “BioQuaRT” [1] wird ein Simulationsprogramm entwickelt, das auf Wirkungsquerschnitten von DNS-Bestandteilen beruht und mit dem sich die Teilchenspurstruktur über mehrere Längenskalen modellieren lässt. Zu diesem Zweck werden umfassende Datensätze für die verschiedenen Wechselwirkungsquerschnitte von Modellmolekülen für die einzelnen DNA-Bestandteile experimentell bestimmt, insbesondere die Wirkungsquerschnitte für die Ionisierung dieser Biomoleküle durch Protonen und Heliumionen mit Energien im Bereich des jeweiligen Bragg Peaks. Die Experimente werden an den Strahlrohren des 3,75 MV Van de Graaff Beschleunigers, des energievariablen Zyklotrons TCC-CV28 und des kürzlich aufgebauten 150 kV Laborbeschleunigers der PTB durchgeführt.

Der 150 kV Ionenbeschleuniger und der Elektronenanalysator werden mit einem Mess- und Steuerprogramm betrieben und werden derzeit evaluiert. Die in einer Ionenquelle (SPECS IQE 12/38) [3] erzeugten Ionen werden mittels eines Wien-Filters (SPECS WF-IQE) [3] nach Ladungs-zu-Masse-Verhältnis gefiltert und dann in der Beschleunigerstrecke mit bis zu 150 kV beschleunigt. Zwischen der Ionenquelle und der elektrostatischen Beschleunigerröhre befinden sich eine elektrische Pulserstufe und ein elektrostatischer Deflektor. Hinter der Beschleunigungsstrecke befindet sich ein elektrostatisches Quadrupol-Triplet, mit dem der Ionenstrahl in horizontaler und vertikaler Richtung in der Wechselwirkungszone fokussiert wird. Ein elektrostatischer Deflektor zwischen der Beschleunigerstrecke und dem Quadrupol-Triplet sorgt dafür, dass der Ionenstrahl in den Quadrupol auf dessen Achse eintritt. Mit einem dritten elektrostatischen Deflektor hinter dem Quadrupol lassen sich eventuelle Strahlabweichungen korrigieren. Die Größe des Ionenstrahls im Zielvolumen lässt sich über Aperturen eingrenzen. Der Beschleuniger verfügt zudem über Faraday-Becher, Phosphorschirme und Vier-Sektor Blenden um Strahllage und Abmessungen überwachen zu können. Bislang ist es gelungen, einen Protonenstrahl mit einem Strahlstrom von bis zu 100 nA und 1 mm x 1 mm Leuchtfleckgröße bei 100 keV Protonenenergie zu erzeugen.

In den Messungen kreuzt der primäre Ionenstrahl in einer Streukammer einen Gasstrahl von Tetrahydrofuran (C4H8O) oder Pyrimidin (C4H4N2). Im Winkelbereich zwischen 30° und 150° relativ zur Ausbreitungsrichtung des Ionenstrahls emittierte Elektronen werden mit einem elektrostatischen hemisphärischen Elektronenspektrometer nachgewiesen [2], das auf einem Drehtisch montiert ist. Das Spektrometer verfügt eine Vier-Elemente-Linse, mit der die Elektronen aus der Wechselwirkungszone auf die Eintrittsöffnung des hemisphärischen Analysators abgebildet werden. In der Austrittsebene des Analysators befinden sich drei Kanalelektronenvervielfacher, mit denen drei verschiedene Elektronenenergien gleichzeitig gemessen werden können. Um das Erdmagnetfeld im Analysator und der Streuebene zu kompensieren, werden drei rechteckige Helmholtzspulen verwendet, mit denen innerhalb einer Region von etwa 200 mm Durchmesser die Flussdichte auf unter 2,0 μT reduziert werden kann. Aus den ersten Messungen im Rahmen der Charakterisierung des Spektrometers sind in Abbildung 1 gemessenen (blaue Punkte) und theoretische (rote Linie) [4] Werte für den differentiellen elastischen Streuquerschnitt von Argon für 100 eV Elektronen als Funktion des Streuwinkels gezeigt.

Abb. 1: Vergleich der differentiellen Wirkungsquerschnitte für elastische Streuung von 100 eV Elektronen an Argon in Abhängigkeit vom Streuwinkel. Blaue Punkte: experimentelle Resultate aus winkelaufgelösten Messungen mit dem neuen Elektronenspektrometer. Rote Linie: Theoretische Werte aus der NIST Datenbank [4].

Referenzen

  1.  www.ptb.de/emrp/bioquart.html
  2. www.omicron.de
  3. www.specs.de
  4. NIST Electron Elastic-Scattering Cross-Section Database: Version 3.2

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