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Erfolgreicher Einsatz des PTB-Wasserkalorimeters im 280 MeV/u 12C-Strahl bei der GSI

09.08.2007

Die bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) durchgeführte Form der Strahlentherapie verwendet einen hochenergetischen Kohlenstoff-Ionenstrahl, um den Tumor zu zerstören. Dabei wird der Ionenstrahl mittels der so genannten Raster-Scan-Methode sehr präzise über das gesamte Tumorvolumen gelenkt. Für diese Bestrahlungsbedingungen existiert bislang kein geeignetes Primärnormal für die Bestimmung der Wasser-Energiedosis. In einem ersten Experiment wurde daher das transportable Wasserkalorimeter der PTB in einem 280 MeV/u Kohlenstoff-Strahl bei der GSI eingesetzt, um die Eignung des kalorimetrischen Messverfahrens aufzuzeigen.

Bei den Messungen wurde ein 12C-Strahl mit einer Breite von 9 mm verwendet, um ein Feld der Größe 50 mm × 50 mm mit 169 diskreten Punkten zu bestrahlen, die über 13 Zeilen und 13 Spalten verteilt waren. Ein solcher Scan wurde 12-fach wiederholt, um durch die Überlagerung der gaussförmigen Intensitätsverteilung der einzelnen Strahlpositionen eine nahezu homogene Dosisverteilung über die gesamte Feldgröße zu erzielen. Die Dauer einer gesamten Bestrahlung betrug ca. 120 s.

Die Abbildung zeigt den zeitlichen Verlauf der mit dem kalorimetrischen Detektor gemessenen Widerstandsänderung der Thermistoren während einer Bestrahlung. Deutlich sind die durch die 12-fache Wiederholung des Scans verursachten Stufen zu erkennen.

Abbildung : Zeitlicher Verlauf der mit dem kalorimetrischen Detektor gemessenen Widerstandsänderung während einer ca. 120 s dauernden Bestrahlung im 280 MeV/u Kohlenstoff-Ionenstrahl bei der GSI. Die Stufen werden durch die 12-fache Wiederholung des Scan-Vorganges verursacht.

Die Messungen wurden in einer Wassertiefe von 5 cm durchgeführt, d.h. im Plateaubereich der Tiefendosiskurve des 280 MeV/u-Strahles. Der Bragg-Peak des Strahls liegt in ca. 15 cm Wassertiefe.

Die während und nach den Bestrahlungen auftretenden Wärmetransportvorgänge im Kalorimeter, verursacht durch das Zerfliessen der ursprünglichen Temperaturverteilung, wurden mit Hilfe der Finite-Element-Methode simuliert. Dabei muss der reale zeitliche Ablauf des gesamten Scanvorganges inklusive der "Spill"-Struktur des Ionenstrahles berücksichtigt werden. Bedingt durch die Beschleunigungstechnik, ist der Ionenstrahl in "Spills" von ca. 2 s Dauer verfügbar, wobei zwischen aufeinander folgenden "Spills" eine Pause von ebenfalls ca. 2 s auftritt. Als Ergebnis der zeitintensiven Wärmeleitungsrechnungen ergeben sich Korrektionsfaktoren von ca. 0,8%, die bei der Bestimmung der Wasser-Energiedosis berücksichtigt werden müssen. Ähnliche Simulationen müssen für Wärmeleitungseffekte durchgeführt werden, die durch die Bestrahlung der Materialen des kalorimetrischen Detektors auftreten.

Aufgrund der bislang durchgeführten Messungen und der vorläufigen Auswertung der Daten ist zu erwarten, das die Wasser-Energiedosis im 12C-Strahl mit Hilfe des Kalorimeters mit einer Standard-Messunsicherheit von weniger als 1% bestimmt werden kann.