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Initiative zur Verbesserung des Datensatzes für den Elektronentransport im Wasser

29.09.2008

Biologische Effekte, die nach einer Strahlenexposition lebender Organismen auftreten, sind zum großen Teil auf Strahlungswechselwirkungen in den Chromosomen und insbesondere auf molekulare Veränderungen in der DNA zurückzuführen. Diese hängen stark vom Charakter und der räumlichen Verteilung der im Zellkern stattfindenden Teilchenwechselwirkungen ab. Von besonderer Bedeutung für die schädigende Wirkung ionisierender Strahlung sind primäre Doppelstrangbrüche in der DNA, die häufig nicht von der Zelle repariert werden können und zu erheblichen Schäden (wie genetische Mutationen oder sogar Krebserkrankungen) führen können. Wenn man davon ausgeht, dass zu ihrer Initiierung mindestes zwei Ionisierungsereignisse notwendig sind, kommt der Erzeugung von Ionisationsclustern (Anzahl von Ionisationsereignissen in einem definierten Zielvolumen) in Segmenten der DNA eine entscheidende Bedeutung zu. Die Physik der Ionisationsclustererzeugung in nanometrischen Volumina ist daher eng mit der Strahlenbiologie verknüpft und stellt eine Herausforderung für die Strahlenmetrologie dar. Eine besondere Rolle spielen niederenergetische Elektronen, die, unabhängig von der Strahlenart, als Sekundärteilchen infolge des Ionisationsprozesses in einem Medium erzeugt werden und für etwa 30 % der deponierten Energie verantwortlich sind. Die Unsicherheiten in der Berechnung der Ionisationsclustererzeugung durch niederenergetische Elektronen in einem für die Dosimetrie wichtigen Material sind sehr stark von der Qualität der Ionisationsquerschnitte abhängig. Um deren Einfluss zu bestimmen, wurde mit Hilfe zweier unterschiedlichen Monte Carlo Programmen die Ionisationsclustererzeugung durch Elektronen in Wasser simuliert. Die zwei Programme (das Monte Carlo Programm des Fachbereiches 6.6 [1] und GEANT4-DNA [2]) haben teilweise unterschiedliche Elektronenwirkungsquerschnitte für inelastische Prozesse und eignen sich daher für diese Studie. Die gewählte Geometrie ist ein Wasserwürfel mit Seitenlänge 160 nm, in dem das Zielvolumen für die Berechnung der Ionisationsclustererzeugung enthalten ist. Das Zielvolumen wurde als zylinderförmig angenommen und dessen Abmessung so gewählt, dass sie denen eines DNA-Segments mit zehn Basenpaaren (Durchmesser D = 2,3 nm, Höhe H = 3,4 nm) entsprachen. Für die Simulationsrechnungen wurde außerdem angenommen, dass monoenergetische Elektronen als Nadelstrahl im Zentrum des Wasserwürfels in Richtung des Zielvolumen emittiert werden, orthogonal zur Hauptachse.

Abbildung 1 zeigt als Beispiel für die Ergebnisse die mittlere Größe der in Wasser durch Elektronen erzeugten Ionisationscluster in Abhängigkeit von der Elektronenenergie T. Die Übereinstimmung bei Energien größer als 500 eV ist sehr gut, während im niederenergetischen Bereich die unterschiedlichen Wirkungsquerschnitte, die nicht mehr auf der Bethe-Theorie basieren, Abweichungen bis ca. 80 % bei 50 eV verursachen. Das kann auch in Abbildung 2 gesehen werden, das die Verteilung der Ionisationsclustergröße für Elektronen mit Energien von 100 eV, 200 eV, 1 keV und 10 keV zeigt.

Abbildung 1: Mit Monte Carlo berechnete mittlere Größe M1 der in Wasser durch Elektronen erzeugten Ionisationscluster in Abhängigkeit von der Elektronenenergie T. Zielvolumen ist ein Zylinder mit Durchmesser D = 2,3 nm und Höhe H = 3,4 nm. Für die Simulationen wurden zwei Programme benutzt: das im FB 6.6 entwickelte Paket (PTB) und GEANT4-DNA (G4).

Abbildung 2 : Verteilung Pν der Ionisationsclustergröße ν für Elektronen mit Energien von 100 eV, 200 eV, 1 keV und 10 keV. Siehe Abbildung 1 für weitere Details.

Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Frau Marion Bug (Centre for Medical Radiation Physics, University of Wollongong) durchgeführt [3], und ist der erste Schritt einer umfangreicheren Initiative, die eine Verbesserung des Datensatzes für den Elektronentransport im Wasser ermöglicht und diese Daten der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung stellen wird.

Literatur

  1. Grosswendt, B.:
    From macro to nanodosimetry: limits of the absorbed-dose concept and definition of new quantities,
    Proc. Workshop on Uncertainty Assessment in Computational Dosimetry (2007), Bologna.
  2. Chauvie, S.; Francis, Z.; Guatelli, S.; Incerti, S.; Mascialino, B.; Moretto, P.; Nieminen, P.; Pia, M. G.:
    Geant4 physics processes for microdosimetry simulation: Design foundation and implementation of the first set of models,
    IEEE Trans. Nucl. Sci. 54(6) (2007).
  3. Bug, M.; Gargioni, E.; Guatelli, S.; Incerti, S.; Bendall, L.; Kaplan, G.; El-Hajj, R.; Oktavia, S.; Wroe, A.; Schulte, R.; Rosenfeld, A.:
    Nanodosimetric modelling of low energy electrons in a magnetic field,
    Proc. 13th GEANT4 Collaboration Workshop, Kobe, Japan (2008)