Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Spurstruktur von Kohlenstoffionen verschiedener Energien nanodosimetrisch charakterisiert

08.07.2014

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, d.h. der Anzahl von Ionisationswechselwirkungen eines Primärteilchens und seiner Sekundärteilchen im Zielvolumen. 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). Spurstrukturen, 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. Dabei ist neben der Größe des Zielvolumens und der Strahlenqualität auch der Abstand der Flugbahn des Primärteilchens vom Zentrum des Zielvolumens ein wichtiger Parameter. Dieser kann mittels eines positionsempfindlichen Detektors bestimmt werden.

An den Beschleunigeranlagen des HIL in Warschau und des INFN in Legnaro wurden im Rahmen des EMRP-JRP BioQuaRT [1] die Häufigkeitsverteilungen der Ionisationsclustergrößen für Kohlenstoffionenstrahlen verschiedener Energien in 1,2 mbar N2 und 1,2 mbar C3H8 gemessen.

Abbildung 1: Mittlere Ionisationsclustergröße M1(Q, d) für 88 MeV 12C6+-Ionen in 1,2 mbar C3H8 in Abhängigkeit vom Abstand d der Flugbahn des Primärteilchens vom Zentrum des Zielvolumens vom Durchmesser D.

Abbildung 1 zeigt die mittlere Ionisationsclustergröße M1(Q, d) für die Strahlenqualität Q von 88 MeV 12C6+ in Abhängigkeit vom Abstand d der Flugbahn des Primärteilchens vom Zentrum des Zielvolumens vom Durchmesser D. Als Targetgas diente 1,2 mbar C3H8, die Massenbelegung des Zielvolumens betrug Dρ = 0,26 µg/cm2. Aufgrund der Hülle aus Sekundärelektronen, welche die Trajektorie der Primärteilchen umgibt, wird M1(Q, d) für d > D/2 nicht Null, sondern fällt stetig mit wachsendem d, da mit wachsendem Abstand von der Flugbahn des Primärteilchens immer weniger Sekundärelektronen das Zielvolumen erreichen und dabei im Mittel immer hochenergetischer werden und damit immer weniger dicht ionisieren.

Abbildung 2: Ionisationsclustergrößenverteilungen Pν(Q, d) für einige Abstände d der Flugbahn des Primärteilchens vom Zentrum des Zielvolumens vom Durchmesser D und für das gesamte Strahlenfeld zwischen d = -6,6 D und d = +6,6 D.

Abbildung 2 zeigt für dieselbe Strahlenqualität neben den Häufigkeitsverteilungen der Ionisationsclustergrößen Pν(Q, d) für einige Abstände d auch die Verteilung für das gesamte, breite Strahlenfeld im Bereich -6,6 Dd ≤ +6,6 D, die sich ergibt, wenn die Position des Primärteilchens nicht aufgelöst wird.

Referenzen:

  1. www.ptb.de/emrp/bioquart.html