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Vergleich der ionometrischen und kalorimetrischen Bestimmung der Wasser-Energiedosis bei Co-60 Gammastrahlung

29.09.2008

Basis für die Dosimetrie hochenergetischer Photonen- und Elektronenstrahlung in der Strahlentherapie ist die Wasser-Energiedosis, DW, bei Co-60 Gammastrahlung. Das Primärnormal der PTB zur Darstellung der Einheit von DW bei Co-60 ist ein Wasserkalorimeter [1]. Die relative Standard-Messunsicherheit von DW beträgt 0,20%. Eine alternative Methode ist die Bestimmung von DW mit Hilfe von wasserdichten luftgefüllten Grafit-Hohlraum-Ionisationskammern (HRK) [2], deren relative Standard-Messunsicherheit in der Literatur mit 0,3% angegeben ist [3]. Für die Berechnung von DW aus der gemessenen Ionisationskammerladung sind im Wesentlichen zwei Schritte erforderlich:

  1. Die Berechnung der Luftenergiedosis im Hohlraum der Kammer, DCAV, mit Hilfe des W-Wertes, der mittleren Energie zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft.
  2. Die Berechnung von DW aus DCAV unter Anwendung der Hohlraumtheorie nach Bragg und Gray, die im Wesentlichen auf das berechnete Verhältnis des mittleren Elektronenbremsvermögens von Grafit zu Luft beruht.

Zur Zeit sind die Richtigkeit sowohl des W-Wertes für Luft [4] als auch des Bremsvermögens von Elektronen in Grafit in der Diskussion [5, 6]. Ziel dieser Arbeit war es, durch einen Vergleich der Resultate für DW aus Ionometrie und Kalorimetrie mit möglichst geringen Unsicherheiten weitere Informationen über die genannten in der Diskussion stehenden Größen zu erhalten.

Als Messkammern dienten zwei HRKs, die sonst als PTB Primärnormale zur Darstellung der Einheit der Luftkerma verwendet werden. Für diese wurde eine wasserdichte Umhüllung aus Plexiglas hergestellt. Damit wurde die Wasser-Energiedosisleistung für Co-60 Gammastrahlung, , bestimmt mittels der Beziehung  , wobei die Luft-Energiedosisleistung im Hohlraum der HRK, ICAV der am Referenzpunkt im Wasserphantom gemessene Ionisationsstrom der HRK, mCAV die Masse der im Hohlraum der HRK enthaltenen trockenen Luft, W die mittlere Energie zur Erzeungung eines Ionenpaares in Luft, e die Elementarladung und  ein Faktor zur Konversion von  in ist, der mit Hilfe von Monte-Carlo (MC) Methoden berechnet wurde. f wurde mit dem EGSnrc MC Code System berechnet als das Verhältnis der Wasser-Energiedosis DW am Referenzpunkt in der Referenztiefe eines Wasserphantoms zur deponierten Energie DCAV im Hohlraum der HRK am gleichen Ort im Wasserphantom. Entsprechend der Hohlraumtheorie beinhaltet f auch das Verhältnis der mittleren Elektronenbremsvermögen von Grafit zu Luft. Die Resultate wurden verglichen mit den Werten für die im gleichen Co-60 Strahlungsfeld mit dem PTB Wasserkalorimeter [1] gemessen wurde. Die mit den Ionisationskammern bestimmten Dosisleistungen waren signifikant höher als die mit dem Wasserkalorimeter bestimmten und zwar um (1,4±0,4)%.

Diese Diskrepanz lässt sich nur durch die Annahme eines falschen W-Wertes oder durch falsche Werte des Bremsvermögens für Elektronen in Grafit erklären. Unter der Annahme, dass der in der Literatur angegebene W-Wert für Luft richtig ist [4], ließ sich die Diskrepanz auflösen, wenn in dem Monte-Carlo Programm zur Berechnung des Konversionsfaktors f die Werte der Bremsvermögen für Elektronen in Grafit geändert wurden. Über ähnliche Ergebnisse wurde auch von anderen Autoren mit komplementären Experimenten berichtet [5, 6]. Die Werte für das Bremsvermögen von Elektronen in Grafit haben eine fundamentale Bedeutung für die Standard-Dosimetrie, da sie bei der Darstellung der Einheit der Luftkerma für Gammastrahlung, der Darstellung der Einheit der Wasser-Energiedosis bei Co-60 Gammastrahlung mit Grafit-Hohlraumkammern oder auch der Darstellung der Einheit der Wasser-Energiedosis für hochenergetische Elektronenstrahlung mit Grafit-Kalorimetern direkte Verwendung finden.

Literatur

  1. Krauss, A.:
    The PTB water calorimeter for the absolute determination of absorbed dose to water in 60Co radiation,
    Metrologia 43 (2006) 259 – 271
  2. Boutillon, M.; Perroche, A.-M.:
    Ionometric determination of absorbed dose to water for cobalt-60 gamma rays,
    Phys. Med. Biol. 38 (1993) 439 - 454
  3. Allisy-Roberts, P. J.; Burns, D.T.; Kessler, C.:
    Measuring conditions used for the calibration of ionization chambers at the BIPM,
    Rapport BIPM-07/06 (2007)
  4. Wang, L. L. W.; Rogers, D. W.:
    The replacement correction factor for the BIPM flat cavity ion chamber and the value of W/e,
    Med. Phys. 35 (2008) 4410 - 4416
  5. Bichsel, H.; Hiraoka, T.:
    Energy loss of 70 MeV protons in elements,
    Nucl. Instr. Meth. B66 (1992) 345-351
  6. Büermann, L.; Hilgers, G.:
    Significant discrepancies in air kerma rates measured with free-air and cavity ionization chambers,
    Nucl. Instr. Meth. A580 (2007) 477 - 480