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Nanodosimetrische Messungen mit Deuteronen

31.01.2011

Eine wesentliche Aufgabe der experimentellen Nanodosimetrie ist die Untersuchung von Spurstrukturen ionisierender Strahlung in nanometrischen biologischen Volumina, wie z. B. in DNA-Segmenten, im Hinblick auf die Erzeugung von Strahlenschäden, die auf direkte Ionisationsereignisse zurückzuführen sind. Die wesentliche Kenngröße einer derartigen Spurstruktur ist die Häufigkeitsverteilung der Größe von Ionisationsclustern, das sog. nanodosimetrische Spektrum. Ein Volumenelement, welches für diese Art von Untersuchung als geeignet angesehen werden kann, ist von der Größe eines DNA-Segmentes bestehend aus ca. 20 Basenpaaren ( d. h. ein Zylinder mit einem Durchmesser von ca. 4 nm und einer Höhe von ca. 8 nm bei einer Dichte von 1 g/cm3). Nanodosimetrische Spektren, die einem solchen Volumenelement zuzuordnen sind, können in einem ionenzählenden Nanodosimeter gemessen werden, das mit einem geeigneten Gas gefüllt ist und in dem die durch die ionisierende Strahlung erzeugten Ionen nach ihrer Drift durch das Gas nachgewiesen werden.

Das Bremsvermögen eines Stoffes ist abhängig von der Art und der Energie des abgebremsten Teilchens. Bei Ionen mit gleicher Kernladungszahl Z und unterschiedlicher Massenzahl A, wie z. B. Protonen (Z = 1, A = 1) und Deuteronen (Z = 1, A = 2), ist das Bremsvermögen gleich, wenn die Ionen gleiche Geschwindigkeiten haben. Da das erste Moment der Häufigkeitsverteilung der Größe von Ionisationsclustern, die mittlere Ionisationsclustergröße M1(Q), mit dem Bremsvermögen korreliert, sollte auch M1(Q) für Ionen unterschiedlicher Massenzahl A und gleicher Kernladungszahl Z bei gleicher Teilchengeschwindigkeit gleich sein.

An den Beschleunigeranlagen der PTB wurden nanodosimetrische Spektren in monoenergetischen Protonen- und Deuteronenstrahlen im Energiebereich von 0,1 MeV bis 2,5 MeV gemessen. Als Messgase dienten C3H8 und N2 bei einem Druck von 1,2 mbar. Die Abbildung zeigt den Vergleich der mittleren Ionisationsclustergröße M1(Q) für die gemessenen Häufigkeitsverteilung der Ionisationsclustergröße für primäre Protonen- und Deuteronenstrahlen verschiedener Teilchengeschwindigkeiten vion für die beiden Messgase. Die mittlere Ionisationsclustergröße zeigt für beide Gase eine vergleichbare Abhängigkeit von der Teilchengeschwindigkeit, allerdings sind die Messdaten für Deuteronen im Vergleich zu den Werten für Protonen systematisch zu kleineren Werten hin verschoben.

Abbildung: Mittlere Ionisationsclustergröße M1(Q) für die gemessenen Häufigkeitsverteilung der Ionisationsclustergröße für primäre Protonen- und Deuteronenstrahlen verschiedener Teilchengeschwindigkeiten vion für die beiden Messgase C3H8 und N2 bei einem Druck von 1,2 mbar.