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Schlüsselvergleich der Primärnormale für die Einheit der Wasser-Energiedosis in hochenergetischen Photonenfeldern zwischen der PTB und dem BIPM

11.04.2012

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) betreibt bereits seit vielen Jahren ein Wasser-Kalorimeter als Primärnormal-Messeinrichtung zur Darstellung der Einheit der Wasser-Energiedosis im 60Co-Strahlungsfeld. Das Prinzip eines solchen Kalorimeters beruht auf der sehr präzisen Messung der strahlungsinduzierten Temperaturerhöhung von Wasser und der anschließenden Umrechnung in die Wasser-Energiedosis (siehe [1]). Eine Kopie dieses Kalorimeters wird mittlerweile auch zur routinemäßigen Messung der Wasser-Energiedosis in den hochenergetischen Photonenfeldern eingesetzt, die von den beiden klinischen Linearbeschleunigern der PTB erzeugt werden. Damit ist es möglich, auch in hochenergetischen Photonenfeldern an Beschleunigern Dosimeter zu kalibrieren oder Referenzbestrahlungen durchzuführen, wobei die Messunsicherheit mit ca. 0,3 % ähnlich klein wie bei den entsprechenden Messungen im 60Co-Strahlungsfeld ist.

Abbildung 1 : Das Wasser-Kalorimeter der PTB vor einem klinischen Linearbeschleuniger.

Zur Gewährleistung der weltweiten Einheitlichkeit der Dosimetrie und der internationalen Anerkennung von PTB-Kalibrierungen muss das deutsche Primärnormal (d.h. das Wasserkalorimeter) regelmäßig mit den übrigen weltweit vorhandenen Primärnormalen für die Wasser-Energiedosis verglichen werden. Während es für 60Co-Strahlung solche Vergleichsmessungen bereits seit langem gibt (siehe z.B. [2]), wurde für hochenergetische Photonenstrahlung an Beschleunigern erstmals im Jahr 2009 vom Bureau International des Poids & Mesures (BIPM) ein solcher Vergleich initiiert. An diesem Vergleich, der unter dem Kürzel BIPM.RI(I)-K6 in der "Key Comparison Data Base" (KCDB) des BIPM geführt wird, nehmen – neben dem BIPM und der PTB – die nationalen Metrologieinstitute von Australien, Italien, Frankreich, Japan, Großbritannien, Kanada, der Schweiz, den USA und den Niederlanden teil. Der Vergleich ist als Stern-Vergleich organisiert, so dass sich jedes nationale Metrologieinstitut zunächst mit dem BIPM vergleicht; aus all diesen bilateralen Vergleichen kann anschließend auf die Unterschiede der Primärnormale zwischen zwei beliebigen Teilnehmern geschlossen werden.

Die PTB nahm als zweites nationales Metrologieinstitut nach dem kanadischen NRC an diesem Vergleich. Die Messungen an den Beschleunigern der PTB fanden bereits im Jahr 2010 statt. Im Laufe des Jahres 2011 wurden die Messungen ausgewertet, seit kurzem liegt nun der Abschlussbericht dieses Schlüsselvergleichs zwischen dem BIPM und der PTB vor [3].

Der Vergleich beruht auf der Messung der Wasser-Energiedosis in ein und demselben Strahlungsfeld mit dem Primärnormal des BIPM Dw,BIPM und dem Wasser-Kalorimeter der PTB Dw,PTB. Das Ergebnis des Vergleichs ist das Verhältnis der beiden Dosiswerte

                                              

zusammen mit der zugehörigen Messunsicherheit u(R). Liefern beide Primärnormale exakt den gleichen Wert für die Wasser-Energiedosis, so gilt R = 1. Ein Unterschied zwischen den Primärnormalen ist durch einen von 1 abweichenden Wert gekennzeichnet, wobei keine Aussage darüber möglich ist, welches Normal "richtiger" misst. Von einer Äquivalenz beider Primärnormale spricht man, wenn der Wert von R nicht mehr als die doppelte Messunsicherheit 2•u(R) von 1 abweicht. Der Bestimmung der Messunsicherheit u(R) kommt deshalb bei solchen Schlüsselvergleichen eine hohe Bedeutung zu.

Für die Messungen wurde das Primärnormal des BIPM für die Einheit der Wasser-Energiedosis – ein Graphit-Kalorimeter [4] – einschließlich der zugehörigen Messelektronik und weiterer benötigter Messgeräte nach Braunschweig in die PTB gebracht, um hier in denselben hochenergetischen Photonen-Strahlungsfeldern wie das Primärnormal der PTB messen zu können (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2 : Das Graphit-Kalorimeter des BIPM in Messposition vor einem der beiden klinischen Linearbeschleuniger der PTB.

Die Messungen wurden insgesamt in drei verschiedenen Photonen-Strahlungsfeldern mit nominellen Beschleunigungsspannungen von 6 MV, 10 MV und 25 MV durchgeführt, wobei die Messbedingungen stets den Referenzbedingungen für die Dosimetrie in der Strahlentherapie entsprachen (siehe z.B. [5] oder [6]). Die Durchführung und Auswertung der Messungen sowie die Ermittlung der Messunsicherheit sind ausführlich im Abschlussbericht dieses Vergleichs beschrieben [3].

Die Ergebnisse des Vergleichs (d.h. das Dosisverhältnis R und die zugehörige Standard-Messunsicherheit u(R)) sind für die drei verwendeten Photonen-Strahlungsfelder in Tabelle 1 und Abbildung 3 angegeben. In Abbildung 3 sind zusätzlich die Ergebnisse des Vergleichs zwischen dem BIPM und dem NRC (Kanada) [7] dargestellt, aus denen auch die Unterschiede zwischen den Primärnormalen der PTB und des NRC ersichtlich sind.

Nominelle
Beschleunigungsspannung
in MV
Ru(R)
61,0010,005
101,0030,006
251,0020,006
Tabelle 1:
Ergebnisse des Vergleichs der Primärnormale der PTB und des BIPM in hochenergetischen Photonenfeldern an Beschleunigern.

Abbildung 3 : Ergebnisse des Vergleichs der Primärnormale der PTB und des BIPM (rot) sowie des NRC und des BIPM (blau).

Die Ergebnisse zeigen, dass im Rahmen der Messunsicherheit eine sehr gute Äquivalenz der Primärnormale der PTB, des BIPM und des NRC für die Einheit der Wasser-Energiedosis in hochenergetischen Photonenfeldern an Beschleunigern besteht.

Der Vergleich BIPM.RI(I)-K6 wird derzeit mit den weiteren Teilnehmern fortgeführt, so dass im Laufe der nächsten Jahre Abbildung 3 Schritt für Schritt durch die Ergebnisse weiterer nationaler Metrologieinstitute ergänzt werden kann.

Literatur

  1. A. Krauss:
    The PTB water calorimeter for the absolute determination of absorbed dose to water in 60Co radiation.
    Metrologia 43 (2006), 259–272
  2. C. Kessler, P. J. Allisy, D. T. Burns, A. Krauss, R.-P. Kapsch:
    Comparison of the standards for absorbed dose to water of the PTB, Germany and the BIPM for 60Co γ rays.
    Metrologia 43 (2006), Tech. Suppl. 06005
  3. S. Picard, D. T. Burns, P. Roger, P. J. Allisy-Roberts, R.-P. Kapsch, A. Krauss:
    Key comparison BIPM.RI(I)-K6 of the standards for absorbed dose to water of the PTB, Germany and the BIPM in accelerator photon beams.
    Metrologia 48 (2011), Tech. Suppl. 06020
  4. S. Picard, D. T. Burns, P. Roger:
    The BIPM Graphite Calorimeter Standard for Absorbed Dose to Water.
    Standards, Applications and Quality Assurance in Medical Radiation Dosimetry (IDOS), Proceedings of an International Symposium, Vienna, 9-12 November 2010, Intaernational Atomic Energy Agency (2011), 55–65
  5. Deutsches Institut für Normung: DIN 6800-2. Dosismessverfahren nach der Sondenmethode für Photonen- und Elektronenstrahlung – Teil 2: Dosimetrie hochenergetischer Photonen- und Elektronenstrahlung mit Ionisationskammern. Beuth Verlag Berlin (2008)
  6. International Atomic Energy Agency: Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy. Technical Reports Series No. 398, IAEA, Wien (2000)
  7. S. Picard, D. T. Burns, P. Roger, P. J. Allisy-Roberts, M. R. McEwen, C. D. Cojocaru, C. K. Ross:
    Comparison of the standards for absorbed dose to water of the NRC and the BIPM for accelerator photon beams.
    Metrologia 47 (2010), Tech. Suppl. 06025